JP2023074477A - Ridge filter in pbs treatment system and method for designing the same - Google Patents

Ridge filter in pbs treatment system and method for designing the same Download PDF

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Abstract

To provide a ridge filter in a PBS treatment system, and a method for designing the same.SOLUTION: A method for designing a ridge filter for a charged particle accelerator includes a step for dividing a cylindrical partial volume (Vi) that regulates a treatment volume (V) into N cells (Cij), and the ridge filter includes the same number of energy degrading units (11.i) as the number of existing spots (Si). The respective energy degrading units (11.i) are formed by N cylindrical degrading sub units unit (11.ij) with length (Lij) and area (Aij).SELECTED DRAWING: Figure 3a-3d

Description

本発明は、治療体積(V)全体にわたり、加速された粒子(好ましくは陽子)のビームにより、単一ペインティング層でのペンシルビームスキャン(PBS)によってそれを照射することにより、所定の線量(Dij)を付与するためのリッジフィルタに関する。特に、本発明は、予め立てられた治療計画に従って線量(Dij)を正確に付与するためにそのようなリッジフィルタの寸法を最適化する、そのようなリッジフィルタを設計する方法に関する。本発明のリッジフィルタは、PBSによる超高線量付与率(HDR)での治療体積(V)又はその一部のFLASH照射に特に適合される。 The present invention provides a predetermined dose ( Dij) for a ridge filter. In particular, the invention relates to a method of designing such a ridge filter that optimizes the dimensions of such a ridge filter to accurately deliver dose (Dij) according to a pre-established treatment plan. The ridge filter of the present invention is particularly adapted for FLASH irradiation of the treatment volume (V) or portions thereof at very high dose delivery rates (HDR) with PBS.

電子ビーム、陽子ビーム、重イオンビーム、X線、γ線などの粒子又は波動による放射線治療は、腫瘍を患う患者を治療するために不可欠な手段となっている。 Radiation therapy with particles or waves such as electron beams, proton beams, heavy ion beams, X-rays, γ-rays has become an indispensable tool for treating patients with tumors.

このような放射線により、体積内に含まれる腫瘍細胞及び健康な細胞の両方が損傷を受けるため、健康な細胞を可能な限り温存するように健康な細胞への線量付与を制限しつつ、腫瘍細胞を効果的に破壊又は死滅させるように腫瘍細胞に規定の線量が付与されることを確保する治療計画を規定することは、癌治療における第1の課題である。第2の課題は、健康な細胞、特に腫瘍細胞に隣接する健康な細胞に対して制限された線量を実際に付与しつつ、規定された線量を腫瘍細胞に実際に付与することである。 Since such radiation damages both tumor cells and healthy cells contained within the volume, tumor cells should be treated while limiting dose delivery to healthy cells so as to spare healthy cells as much as possible. A primary challenge in cancer treatment is to define a treatment regimen that ensures that a defined dose is delivered to tumor cells so as to effectively destroy or kill cancer cells. A second challenge is to actually deliver a defined dose to tumor cells while actually delivering a limited dose to healthy cells, especially healthy cells adjacent to the tumor cells.

治療計画は、腫瘍細胞に隣接する健康な細胞の劣化を最小化しつつ、治療終了時に腫瘍細胞を死滅させるのに十分な総標的線量が体積に送達されることを確保しなければならない。放射線が異なれば、付与されるエネルギーのパターンが異なる。例えば、X線は、皮膚付近の深さでそれらのエネルギーの大部分を付与し、付与されるエネルギーは、組織内への透過深と共に減少する。したがって、腫瘍細胞の標的体積の上流に位置する健康な組織は、標的体積の腫瘍細胞よりも高い線量を受ける。これに対して、図2(a)及び図2(b)に示すように、荷電粒子ビーム、特に陽子は、それらのビーム経路の終わり付近でそれらのエネルギーの大部分を付与して、いわゆるブラッグピークを形成する。 The treatment plan must ensure that a total target dose sufficient to kill the tumor cells is delivered to the volume at the end of treatment while minimizing deterioration of healthy cells adjacent to the tumor cells. Different radiation will have different patterns of deposited energy. For example, X-rays impart most of their energy at depths near the skin, and the energy imparted decreases with depth of penetration into tissue. Thus, healthy tissue located upstream of the target volume of tumor cells receives a higher dose than tumor cells in the target volume. In contrast, as shown in FIGS. 2(a) and 2(b), charged particle beams, especially protons, impart most of their energy near the end of their beam path, the so-called Bragg form a peak.

ペンシルビームスキャン(PBS)は、腫瘍細胞を含む標的体積を規定するスポット(Sij)のメッシュの個々のスポットに向かう対応するビーム軸(Xi)に沿って荷電粒子のビームをステアリングすることからなる技法である。これにより、所定の標的線量は、個々のスポットに整列した細胞に付与される。ビームは、対応するビーム軸(Xi)に沿ってステアリングされ、線量付与は、ビーム軸(Xi)に沿った所与のスポットと整列した各細胞に付与されるべき線量(Dij)を規定する治療計画及びスポット照射のスキャンシーケンスに従って進められる。PBSは、腫瘍の幾何学的形状を反映するように、治療すべき範囲を形成することにより、周囲の非癌細胞の不要な放射線被曝を低減する。標的の幾何学的形状の他に、PBSにより、標的内のスポットの位置に応じてビームの強度を局所的に調整することができる。 Pencil beam scanning (PBS) is a technique consisting of steering a beam of charged particles along corresponding beam axes (Xi) towards individual spots of a mesh of spots (Sij) defining a target volume containing tumor cells. is. A predetermined target dose is thereby delivered to cells aligned in individual spots. The beam is steered along the corresponding beam axis (Xi) and dose delivery defines the dose (Dij) to be delivered to each cell aligned with a given spot along the beam axis (Xi). The scanning sequence of planning and spot exposure is followed. PBS reduces unnecessary radiation exposure of surrounding non-cancerous cells by shaping the area to be treated to mirror the geometry of the tumor. In addition to target geometry, the PBS allows local adjustment of the intensity of the beam depending on the position of the spot within the target.

メッシュは、一般に、ビーム軸(Xi)の中心となる照射軸(X)に垂直ないくつかのペインティング層(Tj=T1~TN)を含む。各層(Tj)の対応する上流にある平面上には、スポット(Sij、Si(j+1)...)が二次元配列で配置される。各ペインティング層は、底面としての対応するスポット(Sij)及び対応するビーム軸(Xi)に平行な母線を有する一般化円筒として規定される、いくつかのセル(Cij、C(i+1)j...)を規定する。セル(Cij)は、対応する層(Tj)と同じ厚さを有する。ペインティング層(Tj)の重ね合わせにより、治療体積(V)全体が規定される。上流にある層(Tj)のスポット(Sij)は、下流にある層(T(j+1)、T(j+2)...)の対応するスポット(Si(j+1)、Si(j+2)...)と対応するビーム軸(Xi)に沿って必ずしも整列されるとは限らない。 The mesh generally includes several painting layers (Tj=T1-TN) perpendicular to the illumination axis (X) centered on the beam axis (Xi). On the corresponding upstream plane of each layer (Tj), spots (Sij, Si(j+1)...) are arranged in a two-dimensional array. Each painting layer has a number of cells (Cij, C(i+1)j . …). The cells (Cij) have the same thickness as the corresponding layers (Tj). The superposition of the painting layers (Tj) defines the entire treatment volume (V). The spots (Sij) in the upstream layer (Tj) are the corresponding spots (Si(j+1), Si(j+2)...) in the downstream layers (T(j+1), T(j+2)...). is not necessarily aligned along the beam axis (Xi) corresponding to .

「上流」及び「下流」という用語は、荷電粒子のビーム(100.i)の方向に対して定義される。本明細書では、別段の指示のない限り、「一般化円筒」、「円筒」及びその派生語は、母線に平行であり、且つ母線に平行ではない平面に含まれる底面の外周を通るすべての線上のすべての点からなる表面を指す。底面は、任意の平坦な幾何学的形状を有し得る。特に底面が円形である場合、それは、円柱を規定する。底面が多角形である場合、それは、角柱を形成する。直円柱は、底面が母線に垂直な円柱である。 The terms "upstream" and "downstream" are defined with respect to the direction of the beam of charged particles (100.i). As used herein, unless otherwise indicated, "generalized cylinder", "cylinder" and derivatives thereof refer to all cylinders passing through the perimeter of the base contained in planes parallel to and not parallel to the generatrix. Refers to the surface consisting of all points on a line. The bottom surface can have any flat geometric shape. Especially if the base is circular, it defines a cylinder. If the base is polygonal, it forms a prism. A right cylinder is a cylinder whose base is perpendicular to the generatrices.

PBSは、腫瘍を囲む治療体積(V)の幾何学的形状に合うように線量の付与の幾何学的分布を最適化するため、極めて有利である。しかしながら、ビームが各スポット(Sij)及び各層(Tj)をスキャンしなければならないため、PBSは、時間がかかり得る。あるビーム軸(Xi)から別のビーム軸(X(i+1))にビームを移動させるために、数msの時間がかかる。異なる層(Tj)のセル(Cij)に所望の線量(Dij)を付与するために、所与のビーム軸(Xi)に平行な所与のビームのエネルギーを変化させることは、一層時間がかかり、500ミリ秒のオーダーとなる。したがって、層(Tj)の数は、治療の持続時間に強く影響する。 PBS is extremely advantageous because it optimizes the geometric distribution of dose delivery to match the geometry of the treatment volume (V) surrounding the tumor. However, PBS can be time consuming because the beam must scan each spot (Sij) and each layer (Tj). It takes several ms to move the beam from one beam axis (Xi) to another beam axis (X(i+1)). Varying the energy of a given beam parallel to a given beam axis (Xi) to deliver a desired dose (Dij) to cells (Cij) of different layers (Tj) is more time consuming. , on the order of 500 milliseconds. Therefore, the number of layers (Tj) strongly influences the duration of treatment.

加速された陽子ビームを用いて、所与のビーム軸(Xi)に平行な所与のビームは、ビーム軸(Xi)に沿って各ペインティング層において深さをずらしていくつかのブラッグピークを重ね合わせることにより、所与のビーム軸(Xi)に沿って整列した、各ペインティング層の対応するセル(Cij)に所定の電荷を次々に付与することができる。この結果、所与のビーム軸(Xi)に沿って整列したすべてのセル(Cij、Ci(j+1)...)にわたる拡大ブラッグピーク(SOBP)が得られる。しかしながら、この操作では、対応するブラッグピークが対応するセル(Cij)を中心とするように、所与のビームのエネルギーを次々に変化させることが必要になる。この操作は、時間がかかる。絵を描くことと同様に、いくつかの層を塗り重ねたり、所与のビームのエネルギーを次々に変化させたりすることは、時間がかかる。1本の決まったエネルギーのビームで、すなわち単一のペイント層を塗ることにより、所与のスポット(Sij)を中心としたビーム軸(Xi)に沿ってすべての層にわたり、すべての線量(Dij)を付与できることが好ましい。 With an accelerated proton beam, a given beam parallel to a given beam axis (Xi) produces several Bragg peaks with offset depths in each painting layer along the beam axis (Xi). The superimposition allows a given charge to be applied one after the other to corresponding cells (Cij) of each painting layer aligned along a given beam axis (Xi). This results in an expanded Bragg peak (SOBP) over all cells (Cij, Ci(j+1)...) aligned along a given beam axis (Xi). However, this operation requires successively changing the energy of a given beam such that the corresponding Bragg peak is centered on the corresponding cell (Cij). This operation is time consuming. Like painting, painting several layers or changing the energy of a given beam from time to time is time consuming. With one fixed energy beam, i.e. by applying a single paint layer, all doses (Dij ) can be given.

治療時間を削減することにより、各患者が粒子加速器を占有する時間が短縮される。患者にとってもより快適になる。線量が少なくとも1Gy/sの超高線量付与率(HDR)で細胞に付与されるFLASH照射を治療計画が含む場合にも有利である。HDRで付与された所与の線量は、低い付与率(LDR)で付与された同じ線量と比較して健康な細胞を温存することが判明している。FLASH照射が特に興味深いのは、腫瘍細胞に付与された所与の線量が、HDRで付与されたか又はLDRで付与されたかに関わらず、同じ死滅効果を有することである。しかしながら、PBSによって治療体積(V)に線量(Dij)を一層ずつ付与することでは、所与のビーム軸(Xi)に沿って整列したすべてのセル(Cij)が対応する線量(Dij)を受けるまで、体積(V)内で上流に位置するセルは、必然的に複数回繰り返し照射されるため、セルへの付与率がかなり低下する。 Reducing treatment time reduces the time each patient occupies the particle accelerator. It is also more comfortable for the patient. It is also advantageous if the treatment regimen includes FLASH radiation delivered to the cells at a very high dose delivery rate (HDR) with a dose of at least 1 Gy/s. A given dose delivered at HDR has been found to spare healthy cells compared to the same dose delivered at a low delivery rate (LDR). Of particular interest to FLASH irradiation is that a given dose delivered to tumor cells has the same killing effect whether delivered HDR or LDR. However, the layer-by-layer application of the dose (Dij) to the treatment volume (V) by the PBS causes all cells (Cij) aligned along a given beam axis (Xi) to receive the corresponding dose (Dij). , cells located upstream in the volume (V) are necessarily repeatedly irradiated multiple times, resulting in a significantly lower delivery rate to the cell.

単一層でPBSによって治療体積に所定の線量(Dij)を付与することは、リッジフィルタを使用することにより実現され得る。リッジフィルタを使用する場合、各層(Tj)のスポット(Sij、Si(j+1)...)が、対応するビーム軸(Xi)に沿って整列することが必要になる。表面が平坦な角錐若しくは階段状の角錐又は稜部の形態のエネルギーディグレーディングユニットを備えるリッジフィルタが当技術分野で示されてきた。例えば、(非特許文献1)は、各スポット(Sij)に対応するビーム軸(Xi)に沿って延びる、表面が平坦な角錐の形態の複数のエネルギーディグレーディングユニットを備えるリッジフィルタを記載している。(非特許文献2)は、多層のリッジフィルタを記載しており、これらの層は、互いに重なり合い、各層は、階段状の角錐の断面を有する平行な線状稜部を備える。(特許文献1)は、対応するビーム軸(Xi)に沿ってSOBPの幅を広げるための複数の貫通孔を備えた板の形状のブラッグピーク拡大フィルタの上流に配置された、円錐又は三角錐の突起を備えるリッジフィルタを記載している。 Delivery of a given dose (Dij) to the treatment volume with PBS in a single layer can be achieved by using a ridge filter. Using a ridge filter requires that the spots (Sij, Si(j+1)...) in each layer (Tj) be aligned along the corresponding beam axis (Xi). Ridge filters with energy degrading units in the form of flat-surfaced pyramids or stepped pyramids or ridges have been shown in the art. For example, [1] describes a ridge filter comprising a plurality of energy degrading units in the form of flat-faced pyramids extending along the beam axis (Xi) corresponding to each spot (Sij). there is [2] describes a multi-layered ridge filter, the layers overlapping each other, each layer comprising parallel linear ridges with stepped pyramidal cross-sections. WO 2005/010000 discloses a conical or triangular-pyramidal filter placed upstream of a plate-shaped Bragg peak broadening filter with a plurality of through-holes for widening the SOBP along the corresponding beam axis (Xi). describes a ridge filter with protrusions of .

リッジフィルタの原理は、対応するビーム軸(Xi)に沿って向けられた所与のエネルギーのビーム(100.i)の部分が、フィルタの異なる材料厚さを通過して、異なる飛程を有するブラッグピークを生成し、それらのブラッグピークが重ね合わさることにより、対応するビーム軸(Xi)に沿って治療体積(V)の深さ全体にわたる、最初の層(T1)におけるスポット(Si1)から、最初の層(T1)の下流にある最後の層(TN)における対応するスポット(SiN)までによって規定される円筒体積にわたって一様なSOBPが得られるというものである。 The principle of a ridge filter is that portions of a beam (100.i) of given energy directed along the corresponding beam axis (Xi) pass through different material thicknesses of the filter and have different ranges. From the spot (Si1) in the first layer (T1) across the depth of the treatment volume (V) along the corresponding beam axis (Xi) by generating Bragg peaks and superimposing them to: A uniform SOBP is obtained over the cylindrical volume defined by the corresponding spot (SiN) in the last layer (TN) downstream of the first layer (T1).

リッジフィルタのエネルギーディグレーディングユニットを設計すること及び寸法を定めることは、依然として課題である。(非特許文献1)は、関数(DSOBP-D(z))を最小化することを含む、リッジフィルタを形成する角錐状の突起の寸法を定めるための複雑な方法を記載しており、DSOBPは、一様な線量分布を規定し、

Figure 2023074477000002
であり、ここで、B(z)は、測定される元のブラッグピークであり、Δzは、連続するブラッグピーク間のステップサイズであり、重みωiは、各ピークiのSOBPへの寄与度を決定し、D(z)は、結果として得られる深さ線量分布である。この式を解くには、実験的に当てはめられる関数が必要となる。(非特許文献2)は、そのリッジフィルタをどのように設計するかについて、モンテカルロ計算が使用されていること以外、あまり情報を提供していない。 Designing and dimensioning the energy degrading unit of a ridge filter remains a challenge. (Non-Patent Document 1) describe a complex method for dimensioning the pyramidal protrusions forming the ridge filter, which involves minimizing the function (DSOBP-D(z)) 2 , DSOBP specifies a uniform dose distribution,
Figure 2023074477000002
where B(z) is the original Bragg peak to be measured, Δz is the step size between successive Bragg peaks, and the weight ωi measures the contribution of each peak i to the SOBP and D(z) is the resulting depth dose distribution. Solving this equation requires an experimentally fitted function. [2] does not provide much information on how to design the ridge filter, other than that Monte Carlo calculations are used.

特開2019-136167号公報JP 2019-136167 A

Simeonov et al.,Phys.Med.Biol.62(2017)7075Simeonov et al. , Phys. Med. Biol. 62 (2017) 7075 Sakae et al.,Med.Phys.27,2,(2000)368Sakae et al. , Med. Phys. 27, 2, (2000) 368

したがって、リッジフィルタのエネルギーディグレーディングユニットの寸法を定めるための、簡単で信頼性が高く且つ再現性がある方法が必要とされている。必要な精度で製造することがより容易な代替的なリッジフィルタの設計が提案される。以下では、これら及び他の利点をより詳細に説明する。 Therefore, there is a need for a simple, reliable and reproducible method for dimensioning the energy degrading unit of a ridge filter. An alternative ridge filter design is proposed that is easier to manufacture to the required precision. These and other advantages are described in more detail below.

本発明は、加速された粒子のビームを用いて、腫瘍細胞を含む組織の治療体積内の特定の場所に特定の線量(Dij)を付与するための、荷電粒子加速器(好ましくは陽子加速器)、ビームラインノズル、コリメータなど(本明細書ではまとめて加速器という)を含む治療システムのリッジフィルタを設計する方法に関する。本発明は、治療体積全体を規定する単一ペインティング層における所定の治療計画(TP)に従ったスポットごとのペンシルビームスキャン(PBS)による線量付与に関する。ビームは、照射軸(X)に略平行であり、±5°以内、好ましくは±3°以内の角度だけ照射軸(X)との平行から逸れる対応するビーム軸(Xi)に沿って延びる。組織は、ビームが組織を通して伝播しなくなる水等価距離として定義される最大ビーム飛程(W0)によって特徴付けられる。本方法は、以下のステップを含む。 The present invention provides a charged particle accelerator (preferably a proton accelerator) for delivering a specific dose (Dij) to a specific location within a treatment volume of tissue containing tumor cells using a beam of accelerated particles; It relates to a method of designing ridge filters for treatment systems including beamline nozzles, collimators, etc. (collectively referred to herein as accelerators). The present invention relates to dosing by spot-by-spot pencil beam scanning (PBS) according to a predetermined treatment plan (TP) in a single painting layer defining the entire treatment volume. The beams extend along corresponding beam axes (Xi) that are substantially parallel to the irradiation axis (X) and deviate from parallel to the irradiation axis (X) by an angle within ±5°, preferably within ±3°. Tissue is characterized by a maximum beam range (W0) defined as the water equivalent distance at which the beam no longer propagates through the tissue. The method includes the following steps.

「水等価厚」(=WET)という表現は、当技術分野において周知であり、粒子ビームによって横断される1つ又は複数の材料の所与の厚さと同じ粒子ビームのエネルギーディグレデーションを引き起こす水の厚さとして定義される。 The expression "water equivalent thickness" (=WET) is well-known in the art and refers to the amount of water that causes the same energy degradation of the particle beam as a given thickness of material or materials traversed by the particle beam. Defined as thickness.

治療体積に内接する境界は、厚さ(dxj)のN枚のスライス(Tj=T1~TN)の上流の平面(Y,Z)jにわたる面積(Aj)を規定することによって規定される。平面(Y,Z)jは、照射軸(X)に垂直である。患者の皮膚に対する最短水等価厚(d0)及び最長水等価厚(d1)は、照射軸(X)に沿って測定される、皮膚に対して最も近い境界の点及び皮膚から最も遠い境界の点としてそれぞれ定義される。 The inscribed boundary of the treatment volume is defined by defining the area (Aj) over the upstream plane (Y,Z)j of N slices (Tj=T1-TN) of thickness (dxj). The plane (Y,Z)j is perpendicular to the illumination axis (X). The shortest water equivalent thickness (d0) and the longest water equivalent thickness (d1) for the patient's skin are the boundary points closest to and farthest from the skin measured along the illumination axis (X). are respectively defined as

部分体積(Vi)の配列が規定され、各部分体積は、対応するビーム軸(Xi)に平行に患者の皮膚から対応する最遠水等価厚まで延び、照射軸(X)に垂直な平面(Y,Z)上への部分体積(Vi)の配列の投影は、平面(Y,Z)上への体積の投影の面積全体をカバーするスポットの配列を規定する。 An array of sub-volumes (Vi) is defined, each sub-volume extending parallel to the corresponding beam axis (Xi) from the patient's skin to the corresponding furthest water equivalent thickness and in a plane perpendicular to the irradiation axis (X) ( The projection of the array of partial volumes (Vi) onto the plane (Y,Z) defines an array of spots covering the entire area of the projection of the volume onto the plane (Y,Z).

部分体積(Vi)内に含まれるN枚のスライス(T1~TN)の各スライス(Tj)について、セルは、対応するスライス(Tj)内に含まれる部分体積(Vi)の一部分として規定される。所与の部分体積(Vi)の各セルについて、セルの水等価厚は、皮膚からセルの幾何学的中心までで決定される。TPに従ってセルに特定の線量(Dij)を付与するために必要なビーム重み(ωij)がセルごとに定められる。ビーム重み(ωij)は、セルの水等価厚における荷電粒子の数に比例する。 For each slice (Tj) of the N slices (T1-TN) contained within the subvolume (Vi), a cell is defined as a portion of the subvolume (Vi) contained within the corresponding slice (Tj) . For each cell of a given partial volume (Vi), the water equivalent thickness of the cell is determined from the skin to the geometric center of the cell. The beam weights (ωij) required to deliver a particular dose (Dij) to the cell according to TP are determined for each cell. The beam weights (ωij) are proportional to the number of charged particles in the water equivalent thickness of the cell.

リッジフィルタは、エネルギーディグレーディングユニットの組を備えて設計され、各エネルギーディグレーディングユニットは、特定の線量(Dij)が、TPに従い、部分体積(Vi)内に含まれる対応するセルにセルの水等価厚において付与されるように、対応するビーム軸(Xi)及び部分体積(Vi)と同軸である、あるビーム直径の対応する荷電粒子のビームの初期エネルギー(E0)を、低減されたエネルギー(Eij)に低減するように構成され得る。所与の部分体積(Vi)のエネルギーディグレーディングユニットは、以下のように設計される。 A ridge filter is designed with a set of energy degrading units, each energy degrading unit applying a specific dose (Dij) to the corresponding cell contained within a subvolume (Vi) according to TP. The initial energy (E0) of the beam of charged particles of a given beam diameter, coaxial with the corresponding beam axis (Xi) and subvolume (Vi), as given at the equivalent thickness, is reduced to the reduced energy ( Eij). An energy degrading unit for a given partial volume (Vi) is designed as follows.

部分体積(Vi)の各セルについて、対応するビーム軸(Xi)に垂直な面積(Aij)の底面と、対応するビーム軸(Xi)に平行な長さ(Lij)の母線との一般化円筒ジオメトリを有するディグレーディングサブユニットが寸法を定められる。ディグレーディングサブユニットは、対応するビーム軸(Xi)に沿って単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)を有する材料で作られ、長さは、ディグレーディングサブユニットが、単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)と長さ(Lij)との積に等しいサブユニットの水等価厚(Wij=Wu×Lij)を有するように決定される。サブユニットの水等価厚(Wij)とセルの水等価厚(dij)との和は、最大ビーム飛程(W0)に等しい(すなわちW0=Wij+dij)。 For each cell of subvolume (Vi), a generalized cylinder with a base of area (Aij) perpendicular to the corresponding beam axis (Xi) and a generatrix of length (Lij) parallel to the corresponding beam axis (Xi) A degrading subunit having a geometry is dimensioned. The degrading subunits are made of a material that has a water equivalent thickness (Wu) of subunits per unit length along the corresponding beam axis (Xi) and the length is such that the degrading subunits have a unit length It is determined to have the water equivalent thickness of the subunit (Wij=Wu*Lij) equal to the product of the water equivalent thickness (Wu) and the length (Lij) of the per subunit. The sum of the subunit water equivalent thickness (Wij) and the cell water equivalent thickness (dij) is equal to the maximum beam range (W0) (ie, W0=Wij+dij).

本明細書では、上記で定義したように、「一般化円筒」、「円筒」及びその派生語は、母線に平行であり、且つ母線に平行ではない平面に含まれる底面の外周を通るすべての線上のすべての点からなる表面を指す。底面は、任意の平坦な幾何学的形状を有し得る。特に底面が円形である場合、それは、円柱を規定する。底面が多角形である場合、それは、角柱を形成する。直円柱は、底面が母線に垂直な円柱である。 As defined herein, "generalized cylinder," "cylinder," and derivatives thereof, refer to all cylinders passing through the perimeter of the base contained in planes parallel to and not parallel to the generatrix. Refers to the surface consisting of all points on a line. The bottom surface can have any flat geometric shape. Especially if the base is circular, it defines a cylinder. If the base is polygonal, it forms a prism. A right cylinder is a cylinder whose base is perpendicular to the generatrices.

ディグレーディングサブユニットの面積(Aij)は、正規化されたビーム重み(ωij/Σωij)を、サブユニットの底面面積(Aij)にわたるフルエンス(F(y,z))の積分の、ディグレーディングユニット(11.i)の底面面積(Abi)にわたる同じ積分に対する比に等しくすることによって決定され、

Figure 2023074477000003
ここで、フルエンスF(y,z)は、ビームの位置(y,z)におけるビーム(100.i)の単位面積あたりの電荷の数であり、底面面積(Abi)は、サブユニットの面積(Aij)の和に等しい(すなわちAbi=ΣAij)。 The degrading subunit area (Aij) is the degrading of the normalized beam weight (ωij/ Σjωij ) of the integral of the fluence (F(y,z)) over the subunit base area (Aij). determined by equaling the ratio for the same integral over the base area (Abi) of unit (11.i),
Figure 2023074477000003
where the fluence F(y,z) is the number of charges per unit area of the beam (100.i) at the beam position (y,z) and the base area (Abi) is the area of the subunit ( Aij) (ie, Abi=Σ j Aij).

N個のディグレーディングサブユニットは、部分体積(Vi)に必要な線量(Dij)を付与するように、ビームのエネルギーをディグレーディングさせるように設計されたエネルギーディグレーディングユニットを得るために組み合わされる。すべての残りの部分体積(Vi)に対応するエネルギーディグレーディングユニットは、上記で定義されたように設計され得る。 The N degrading subunits are combined to obtain an energy degrading unit designed to degrade the energy of the beam so as to impart the required dose (Dij) to the subvolume (Vi). Energy degrading units corresponding to all remaining partial volumes (Vi) can be designed as defined above.

好ましい実施形態では、特定の線量(Dij)は、組織の体積内の少なくとも選択された特定の場所に超高線量付与率(HDR)で治療計画に従って付与される。超高線量付与率(HDR)は、HDR≧1Gy/sの線量付与率として定義される。 In a preferred embodiment, a specific dose (Dij) is delivered according to a treatment plan at a very high dose delivery rate (HDR) to at least specific selected locations within the volume of tissue. Ultra high dose rate (HDR) is defined as a dose rate HDR≧1 Gy/s.

スポットの配列のスポットは、1つの単一のスポットにおけるビームのフルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.8倍以下(すなわちds≦1.8σ)、好ましくは1.5σ以下の距離(ds)だけ互いに隔てられ得る。これらの条件では、底面面積(Abi)を通過するビームのフルエンス(F(y,z))は、体積に内接する境界を規定する平面(Y,Z)jのすべての値にわたって一定であるように近似される。 The spots of the array of spots should be no more than 1.8 times the standard deviation (σ) of the fluence (Fi(y,z)) of the beam in one single spot (ie ds ≤ 1.8σ), preferably 1.8σ. They may be separated from each other by a distance (ds) of 5σ or less. Under these conditions, the fluence (F(y,z)) of the beam passing through the base area (Abi) appears to be constant over all values of the plane (Y,Z)j defining the inscribed boundary of the volume. is approximated by

代わりに、スポットの配列のスポットは、単一のスポットにおけるビームのフルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.2倍超(すなわちds>1.2σ)、好ましくは1.5倍超の距離(ds)だけ互いに隔てられ得る。これらの条件では、底面面積(Abi)を通過するビームのフルエンス(Fi(y,z))は、ガウス分布

Figure 2023074477000004
であるように近似され、ここで、(yi,zi)は、(Y,Z)平面における、スポット(Si)のフルエンスの最大値(Ai)の位置の座標であり、円形スポットの場合、σ=σ=σである。 Alternatively, the spots in the array of spots are more than 1.2 times the standard deviation (σ) of the beam fluence (Fi(y,z)) in a single spot (i.e. ds>1.2σ), preferably 1 They can be separated from each other by more than 0.5 times the distance (ds). Under these conditions, the beam fluence (Fi(y,z)) passing through the base area (Abi) has a Gaussian distribution
Figure 2023074477000004
where (yi,zi) are the coordinates of the position of the maximum fluence (Ai) of the spot (Si) in the (Y,Z) plane, and for a circular spot, σ y = σ z = σ.

本発明の好ましい構成では、エネルギーディグレーディングユニットは、ビーム軸(Xi)に沿って測定される厚さ(Bi)の支持ベースにおいて、スポットの配列に従って並べて配置されたオリフィスの形態である。各オリフィスは、支持ベースの表面に開口している開口部から延び、且つ対応するビーム軸(Xi)に沿って測定される所与の深さまで貫通する。各エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、断面面積(Ai)の一般化円筒ジオメトリを有し、且つ対応するビーム軸(Xi)に沿って支持ブロックの開口部から、Lij=Bi-Lsijであるような長さ(Lsij)にわたって延びるオリフィスの形態の1つ又は複数のディグレーディングサブユニットによって形成される。上記で定義したディグレーディングサブユニットは、底面面積(Abi)内に配置される。 In a preferred configuration of the invention, the energy degrading unit is in the form of orifices arranged side by side according to the array of spots in the supporting base of thickness (Bi) measured along the beam axis (Xi). Each orifice extends from an opening that opens into the surface of the support base and penetrates to a given depth measured along the corresponding beam axis (Xi). Each energy degrading unit (11.i) has a generalized cylindrical geometry of cross-sectional area (Ai) and from the opening of the support block along the corresponding beam axis (Xi), with Lij=Bi−Lsij It is formed by one or more degrading subunits in the form of orifices extending over some length (Lsij). The degrading subunits defined above are located within the base area (Abi).

この構成のエネルギーディグレーディングユニットでは、少なくとも2つのサブユニットが底面面積(Abi)内に直列構造、並列構造及び混在構造の何れか1つの構造で配置され得る。 In the energy degrading unit of this configuration, at least two subunits can be arranged in any one of a series structure, a parallel structure and a mixed structure within the base area (Abi).

直列構造では、ディグレーディングサブユニットは、対応するビーム軸(Xi)に沿って、長さ(Lsij)が減少する順に、好ましくは同軸に、且つ最長の長さ(Lsi3)を有するオリフィスが中央位置に位置するように整列される。所与のディグレーディングサブユニットのサブユニットの底面面積(Aij)は、所与のディグレーディングユニットの断面面積(Axij)と、所与のディグレーディングユニット内に外接したディグレーディングユニットの断面面積(Axi(j+1))との間の断面面積の差分(Axij-Axi(j+1))に等しい。 In a serial configuration, the degrading subunits are arranged along the corresponding beam axis (Xi) in order of decreasing length (Lsij), preferably coaxially, and the orifice with the longest length (Lsi3) is centrally located. aligned so that the The subunit base area (Aij) of a given degrading subunit is the sum of the cross-sectional area of the given degrading unit (Axij) and the cross-sectional area of the degrading unit circumscribed within the given degrading unit (Axi (j+1)) is equal to the difference in cross-sectional area (Axij-Axi(j+1)).

並列構造では、ディグレーディングサブユニットは、2つのディグレーディングサブユニット間に空間なしの状態又は隣接する2つのディグレーディングサブユニット間に空間がある状態の何れかで底面面積(Abi)内に並べて配置される。 In a side-by-side configuration, the degrading subunits are arranged side by side in a base area (Abi) with either no space between two degrading subunits or space between two adjacent degrading subunits. be done.

並列及び直列の両方の混在構造では、3つ以上のディグレーディングサブユニットは、直列及び並列の両方で配置される。1つ又は複数の構造は、対応するビーム軸(Xi)に沿って直列に整列された2つ以上のディグレーディングサブユニットによって形成され、及び任意選択で、1つ又は複数の個々のディグレーディングサブユニットは、底面面積(Abi)内に並べて配置される。 In a mixed both parallel and series structure, three or more degrading subunits are arranged both in series and in parallel. The one or more structures are formed by two or more degrading subunits aligned in series along corresponding beam axes (Xi), and optionally one or more individual degrading subunits The units are arranged side by side within a base area (Abi).

本発明の代替的な好ましい構成では、エネルギーディグレーディングユニットは、スポットの配列に従って並べて配置され、且つビーム軸(Xi)に沿って測定される厚さ(Bi)の支持ベース上に支持されたピンの形態である。各ピンは、対応するビーム軸(Xi)に沿って支持ベースから延びる。この構成では、各エネルギーディグレーディングユニットは、断面面積(Aij)の一般化円筒ジオメトリを有し、且つ対応するビーム軸(Xi)に沿って支持ベースから、Lij=Bi+Lsijであるような長さ(Lsij)にわたって延びる1つ又は複数のディグレーディングサブユニットによって形成される。これらのディグレーディングサブユニットは、底面面積(Abi)内に配置される。 In an alternative preferred arrangement of the invention, the energy degrading units are arranged side by side according to the array of spots and are supported on a support base of thickness (Bi) measured along the beam axis (Xi). is in the form of Each pin extends from the support base along a corresponding beam axis (Xi). In this configuration, each energy degrading unit has a generalized cylindrical geometry of cross-sectional area (Aij) and a length ( Lsij), formed by one or more degrading subunits. These degrading subunits are arranged within the base area (Abi).

この構成のエネルギーディグレーディングユニットでは、少なくとも2つのサブユニットが底面面積(Abi)内に直列構造、並列構造及び混在構造の何れか1つの構造で配置され得る。 In the energy degrading unit of this configuration, at least two subunits can be arranged in any one of a series structure, a parallel structure and a mixed structure within the base area (Abi).

直列構造では、ディグレーディングサブユニットは、対応するビーム軸(Xi)に沿って、長さ(Lsij)が減少する順に、好ましくは同軸に、且つ最長の長さ(Lsi1)を有するピンが中央位置に位置するように整列される。所与のディグレーディングサブユニットのサブユニットの底面面積(Aij)は、所与のディグレーディングユニットの断面面積(Axij)と、所与のディグレーディングユニット内に外接したディグレーディングユニットの断面面積(Axi(j-1))との間の断面面積の差分(Axij-Axi(j-1))に等しい。 In a serial configuration, the degrading subunits are arranged along the corresponding beam axis (Xi) in order of decreasing length (Lsij), preferably coaxially, with the pin having the longest length (Lsi1) at the central position. aligned so that the The subunit base area (Aij) of a given degrading subunit is the sum of the cross-sectional area of the given degrading unit (Axij) and the cross-sectional area of the degrading unit circumscribed within the given degrading unit (Axi (j-1)) is equal to the difference in cross-sectional area (Axij-Axi(j-1)).

並列及び直列の両方の混在構造では、3つ以上のディグレーディングサブユニットは、直列及び並列の両方で配置される。1つ又は複数の構造は、対応するビーム軸(Xi)に沿って直列に整列された2つ以上のディグレーディングサブユニットによって形成され、及び任意選択で、1つ又は複数の個々のディグレーディングサブユニットは、底面面積(Abi)内に並べて配置される。 In a mixed both parallel and series structure, three or more degrading subunits are arranged both in series and in parallel. The one or more structures are formed by two or more degrading subunits aligned in series along corresponding beam axes (Xi), and optionally one or more individual degrading subunits The units are arranged side by side within a base area (Abi).

好ましい実施形態では、第1のエネルギーディグレーディングユニットの少なくとも第1のディグレーディングサブユニットは、第1のエネルギーディグレーディングユニット又は第2のエネルギーディグレーディングユニットの第2のディグレーディングサブユニットの第2の材料と異なる第1の材料で作られ得る。第1の材料は、例えば、第2の材料から作られる対応する第1のエネルギーサブユニットの長さと比べて、第1のディグレーディングサブユニットの長さ(L11=W11/Wu)の値を変化させる、好ましくは減少させるように、第2の材料と異なる、単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)の値を有する。単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)が異なる値である異なる材料を使用することにより、第1のディグレーディングサブユニットの長さ(L11)は、エネルギーディグレーディングユニットをよりコンパクトにするために、第2のディグレーディングサブユニットの長さ(Lij)の±20%以内に維持され得る。エネルギーディグレーディングユニットのすべてのディグレーディングサブユニットの長さ(Lij)は、好ましくは、平均長さ(Lm,ij)の±20%のばらつき以内で同じ長さ(Lij)を有する(すなわちLij=Lm,ij±20%∀j)。 In a preferred embodiment, at least the first degrading subunit of the first energy degrading unit is the second of the second degrading subunit of the first energy degrading unit or the second energy degrading unit It can be made of a first material different from the material. The first material, for example, changes the value of the length of the first degrading subunit (L11=W11/Wu) compared to the length of the corresponding first energy subunit made from the second material. It has a different water equivalent thickness (Wu) value of the subunits per unit length than the second material so as to increase, preferably decrease. By using different materials with different values of water equivalent thickness (Wu) of the subunits per unit length, the length of the first degrading subunit (L11) can be adjusted to make the energy degrading unit more compact. To do so, it can be kept within ±20% of the length of the second degrading subunit (Lij). The lengths (Lij) of all degrading subunits of the energy degrading unit preferably have the same length (Lij) within ±20% variation of the average length (Lm,ij) (i.e. Lij = Lm,ij±20%∀j).

図1(a)は、治療体積(V)を概略的に示す。治療体積(V)は、対応するビーム軸(Xi)に平行に延びる部分体積(Vi)に分割され、各部分体積(Vi)は、セル(Cij)に分割され、セル(Cij)に所定の線量(Dij)が付与される。対応するSOBPは、リッジフィルタの対応するエネルギーディグレーディングユニットを通過する異なるビーム軸(Xi)に沿って示されている。FIG. 1(a) schematically shows the treatment volume (V). The treatment volume (V) is divided into sub-volumes (Vi) extending parallel to the corresponding beam axis (Xi) and each sub-volume (Vi) is divided into cells (Cij) in which cells (Cij) have a predetermined Dose (Dij) is given. The corresponding SOBPs are shown along different beam axes (Xi) passing through the corresponding energy degrading units of the ridge filter. 図1(b)は、本発明によるリッジフィルタを通過した後の3本のビーム(100.i、100.k、100.m)によってSOBPが得られる状態にある、図1(a)の治療体積(V)の側面図を示す。FIG. 1(b) shows the treatment of FIG. 1(a) with SOBP obtained by three beams (100.i, 100.k, 100.m) after passing through the ridge filter according to the invention. Fig. 3 shows a side view of volume (V); 図1(c)は、照射軸(X)と同軸のビーム軸(Xi)に沿ってビーム(100.i)が延びる状態で得られるSOBPを示す。FIG. 1(c) shows the SOBP obtained with the beam (100.i) extending along a beam axis (Xi) coaxial with the illumination axis (X). 図1(d)は、ビーム軸(Xm)に沿ってビーム(100.m)が延びる状態で得られるSOBPを示す。FIG. 1(d) shows the SOBP obtained with the beam (100.m) extending along the beam axis (Xm). 図2(a)は、所与のエネルギーのビームの典型的なブラッグピークの深さ線量プロファイルを示す。横軸は、水中での深さを表す。水中での最大ビーム飛程(W0)は、ブラッグピークの最大値を超え、且つブラッグピークの最大値の80%に等しいエネルギーに対応する深さであり、W0は、少なくともdij以上でなければならない(dij<W0)と規定される。FIG. 2(a) shows a typical Bragg peak depth-dose profile for a beam of given energy. The horizontal axis represents depth in water. The maximum beam range (W0) in water is the depth above the maximum Bragg peak and corresponding to an energy equal to 80% of the maximum Bragg peak, and W0 must be at least dij (dij<W0). 図2(b)は、エネルギーディグレーディングユニットがビームの経路と交差している状態における、図2(a)のビームのブラッグピークの深さ線量プロファイルを示す。FIG. 2(b) shows the depth dose profile of the Bragg peak of the beam of FIG. 2(a) with the energy degrading unit intersecting the path of the beam. 図3(a)は、互いに且つ照射軸(X)に平行にそれぞれのビーム軸(Xi、X(i+1)...)に沿って延びてリッジフィルタを通過するビーム(100.i、100.(i+1)...)を示す。FIG. 3(a) shows the beams (100.i, 100.i, 100.i) extending along their respective beam axes (Xi, X(i+1)...) parallel to each other and to the illumination axis (X) and passing through the ridge filters. (i+1)...). 図3(b)は、照射軸(X)を中心として扇状に広がって、それぞれのビーム軸(Xi、X(i+1)...)に沿って延びてリッジフィルタを通過するビーム(100.i、100.(i+1)...)を示す。FIG. 3(b) shows the beams (100.i) fanning out about the illumination axis (X) and extending along their respective beam axes (Xi, X(i+1)...) and passing through the ridge filter. , 100.(i+1)...). 図3(c)は、ピンの形態のエネルギーディグレーディングユニットを備えるリッジフィルタを概略的に示す。FIG. 3(c) schematically shows a ridge filter with energy degrading units in the form of pins. 図3(d)は、ビーム(100.i、100.(i+1))が、互いに平行ではないそれぞれのビーム軸(Xi、X(i+1))に沿って延びる状態にある、2つのエネルギーディグレーディングユニットを示す(XiとX(i+1)とのなす角度は、誇張してある)。FIG. 3(d) shows two energy degradings with beams (100.i, 100.(i+1)) extending along respective beam axes (Xi, X(i+1)) that are not parallel to each other. Units are shown (the angle between Xi and X(i+1) is exaggerated). 図3(e)は、照射軸(X)に平行に延び、セル(Cij)に分割されるいくつかの部分体積(Vi)を含む治療体積(V)の体積要素を示す。部分体積(V5)において得られるSOBPも示す。FIG. 3(e) shows a volume element of a treatment volume (V) extending parallel to the irradiation axis (X) and comprising several sub-volumes (Vi) divided into cells (Cij). The SOBP obtained in partial volume (V5) is also shown. 図3(f)は、対応するビーム軸(Xi)に平行に延びるいくつかの部分体積(Vi)を含む治療体積(V)の体積要素を示す。ビーム軸(Xi)は、互いに完全に平行ではなく、照射軸(X)とも完全に平行ではない。分かりやすくするために、角度のずれを誇張してある。FIG. 3(f) shows the volume elements of the treatment volume (V) comprising several sub-volumes (Vi) extending parallel to the corresponding beam axis (Xi). The beam axes (Xi) are neither perfectly parallel to each other nor perfectly parallel to the illumination axis (X). The angular deviation is exaggerated for clarity. 図4(a)は、間隙によって形成されたエネルギーディグレーディングユニットを備えるリッジフィルタの一実施形態を示す。FIG. 4(a) shows an embodiment of a ridge filter with energy degrading units formed by gaps. 図4(b)は、3つのディグレーディングサブユニットから構成された、図4(a)のリッジフィルタのエネルギーディグレーディングユニットを形成する間隙の切断側面図を示す。ディグレーディングユニットによって生成されたSOBPの深さ線量プロファイルも示す。FIG. 4(b) shows a cutaway side view of the gap forming energy degrading unit of the ridge filter of FIG. 4(a), composed of three degrading subunits. Also shown is the SOBP depth dose profile produced by the degrading unit. 図4(c)は、図4(b)のエネルギーディグレーディングユニットの第1のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第1のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第1のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi1において最大となる。FIG. 4(c) shows a cutaway side view of the first degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 4(b). Two examples of possible cross-sectional shapes for the first degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the first degrading subunit is maximum at depth di1. 図4(d)は、図4(b)のエネルギーディグレーディングユニットの第2のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第2のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第2のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi2において最大となる。FIG. 4(d) shows a cutaway side view of the second degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 4(b). Two examples of possible cross-sectional shapes for the second degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the second degrading subunit is maximum at depth di2. 図4(e)は、図4(b)のエネルギーディグレーディングユニットの第3のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第3のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第3のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi3において最大となる。FIG. 4(e) shows a cutaway side view of the third degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 4(b). Two examples of possible cross-sectional shapes for the third degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the third degrading subunit is maximum at depth di3. 図4(f)は、間隙によって形成されたエネルギーディグレーディングユニットを備えるリッジフィルタの代替的な実施形態を示す。FIG. 4(f) shows an alternative embodiment of a ridge filter with energy degrading units formed by gaps. 図4(g)は、3つのディグレーディングサブユニットから構成された、図4(f)のリッジフィルタのエネルギーディグレーディングユニットを形成する間隙の切断側面図を示す。ディグレーディングユニットによって生成されたSOBPの深さ線量プロファイルも示す。FIG. 4(g) shows a cutaway side view of the gap forming energy degrading unit of the ridge filter of FIG. 4(f), composed of three degrading subunits. Also shown is the SOBP depth dose profile produced by the degrading unit. 図4(h)は、図4(g)のエネルギーディグレーディングユニットの第1のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第1のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の例が示されている。第1のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi1において最大となる。FIG. 4(h) shows a cutaway side view of the first degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 4(g). Examples of possible cross-sectional shapes for the first degrading subunit are shown. The Bragg peak produced by the first degrading subunit is maximum at depth di1. 図4(i)は、図4(g)のエネルギーディグレーディングユニットの第2のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第2のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第2のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi2において最大となる。FIG. 4(i) shows a cutaway side view of the second degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 4(g). Two examples of possible cross-sectional shapes for the second degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the second degrading subunit is maximum at depth di2. 図4(j)は、図4(g)のエネルギーディグレーディングユニットの第3のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第3のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の例が示されている。第3のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi3において最大となる。FIG. 4(j) shows a cutaway side view of the third degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 4(g). Examples of possible cross-sectional shapes for the third degrading subunit are shown. The Bragg peak produced by the third degrading subunit is maximum at depth di3. 図5(a)は、突出するピンによって形成されたエネルギーディグレーディングユニットを備えるリッジフィルタの一実施形態を示す。FIG. 5(a) shows an embodiment of a ridge filter with an energy degrading unit formed by protruding pins. 図5(b)は、3つのディグレーディングサブユニットから構成された、図5(a)のリッジフィルタのエネルギーディグレーディングユニットを形成する突出するピンの切断側面図を示す。ディグレーディングユニットによって生成されたSOBPの深さ線量プロファイルが示されている。FIG. 5(b) shows a cutaway side view of a protruding pin forming the energy degrading unit of the ridge filter of FIG. 5(a), composed of three degrading subunits. Depth dose profiles of SOBP produced by the degrading unit are shown. 図5(c)は、図5(b)のエネルギーディグレーディングユニットの第1のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第1のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第1のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi3において最大となる。FIG. 5(c) shows a cutaway side view of the first degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 5(b). Two examples of possible cross-sectional shapes for the first degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the first degrading subunit is maximum at depth di3. 図5(d)は、図5(b)のエネルギーディグレーディングユニットの第2のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第2のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第2のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi2において最大となる。FIG. 5(d) shows a cutaway side view of the second degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 5(b). Two examples of possible cross-sectional shapes for the second degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the second degrading subunit is maximum at depth di2. 図5(e)は、図5(b)のエネルギーディグレーディングユニットの第3のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第3のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第3のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi1において最大となる。FIG. 5(e) shows a cutaway side view of the third degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 5(b). Two examples of possible cross-sectional shapes for the third degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the third degrading subunit is maximum at depth di1. 図5(f)は、突出するピンによって形成されたエネルギーディグレーディングユニットを備えるリッジフィルタの代替的な実施形態を示す。FIG. 5(f) shows an alternative embodiment of a ridge filter with energy degrading units formed by protruding pins. 図5(g)は、3つのディグレーディングサブユニットから構成された、図5(f)のリッジフィルタのエネルギーディグレーディングユニットを形成する突出するピンの切断側面図を示す。ディグレーディングユニットによって生成されたSOBPの深さ線量プロファイルも示す。FIG. 5(g) shows a cutaway side view of the protruding pins forming the energy degrading unit of the ridge filter of FIG. 5(f), which is composed of three degrading subunits. Also shown is the SOBP depth dose profile produced by the degrading unit. 図5(h)は、図5(g)のエネルギーディグレーディングユニットの第1のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第1のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の例が示されている。第1のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi3において最大となる。FIG. 5(h) shows a cutaway side view of the first degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 5(g). Examples of possible cross-sectional shapes for the first degrading subunit are shown. The Bragg peak produced by the first degrading subunit is maximum at depth di3. 図5(i)は、図5(g)のエネルギーディグレーディングユニットの第2のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第2のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の2つの例、すなわち円形又は多角形(六角形)が示されている。第2のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi2において最大となる。FIG. 5(i) shows a cutaway side view of the second degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 5(g). Two examples of possible cross-sectional shapes for the second degrading subunit are shown: circular or polygonal (hexagonal). The Bragg peak produced by the second degrading subunit is maximum at depth di2. 図5(j)は、図5(g)のエネルギーディグレーディングユニットの第3のディグレーディングサブユニットの切断側面図を示す。第3のディグレーディングサブユニットの可能な断面形状の例が示されている。第3のディグレーディングサブユニットによって生成されるブラッグピークは、深さdi1において最大となる。FIG. 5(j) shows a cutaway side view of the third degrading subunit of the energy degrading unit of FIG. 5(g). Examples of possible cross-sectional shapes for the third degrading subunit are shown. The Bragg peak produced by the third degrading subunit is maximum at depth di1. 図6(a)は、連続的な間隙によって形成されたN=3個のディグレーディングサブユニット(11.ij)を備える、図4(b)のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の切断側面図及び対応するSOBPを示す。FIG. 6(a) is a cut side view of the energy degrading unit (11.i) of FIG. 4(b) comprising N=3 degrading subunits (11.ij) formed by continuous gaps. Figures and corresponding SOBPs are shown. 図6(b)は、N=6個のディグレーディングサブユニット(11.ij)を備える、図6(a)のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の変形形態及び対応するSOBPを示す。FIG. 6(b) shows a variant of the energy degrading unit (11.i) of FIG. 6(a) and the corresponding SOBP, comprising N=6 degrading subunits (11.ij). 図6(c)は、連続切頂一般化円錐間隙を形成する、N→∞のディグレーディングサブユニット(11.ij)を備える、図6(a)及び図6(b)のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の変形形態及び対応するSOBPを示す。FIG. 6(c) is the energy degrading unit of FIGS. 6(a) and 6(b) comprising N→∞ degrading subunits (11.ij) forming a continuous truncated generalized conical gap. Figure 3 shows a variant of (11.i) and the corresponding SOBP. 図6(d)は、階段状のピンの形態における、N=6個のディグレーディングサブユニット(11.ij)を備えるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)及び対応するSOBPを示す。FIG. 6(d) shows an energy degrading unit (11.i) comprising N=6 degrading subunits (11.ij) and the corresponding SOBP in the form of stepped pins. 図6(e)は、連続切頂一般化円錐を形成する、N→∞のディグレーディングサブユニット(11.ij)を備える、図6(d)のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の変形形態及び対応するSOBPを示す。FIG. 6(e) is a variation of the energy degrading unit (11.i) of FIG. 6(d) with N→∞ degrading subunits (11.ij) forming a continuous truncated generalized cone. Morphology and corresponding SOBPs are shown. 図7(a)は、長さ及び断面面積が異なる、同軸に配置された2つのディグレーディングサブユニットを備える突出するピンの形態のエネルギーディグレーディングユニットを通過するビームによる線量付与を特徴付けるブラッグピークのシフトを示す。FIG. 7(a) shows the Bragg peak characterizing dose delivery by a beam passing through an energy degrading unit in the form of a protruding pin comprising two coaxially arranged degrading subunits of different length and cross-sectional area. indicates a shift. 図7(b)は、長さ及び断面面積が異なる2つのディグレーディングサブユニットを備える間隙の形態のエネルギーディグレーディングユニットを通過するビームによる線量付与を特徴付けるブラッグピークのシフトを示す。FIG. 7(b) shows the shift of the Bragg peak characterizing dose delivery by a beam passing through an energy degrading unit in the form of a gap comprising two degrading subunits with different lengths and cross-sectional areas. 図7(c)は、密度及び断面面積が異なる(内側要素の密度が周囲要素の密度よりも低い)2つのディグレーディングサブユニットを備える同心要素の形態のエネルギーディグレーディングユニットを通過するビームによる線量付与を特徴付けるブラッグピークのシフトを示す。FIG. 7(c) shows the dose due to the beam passing through an energy degrading unit in the form of concentric elements comprising two degrading subunits with different densities and cross-sectional areas (the density of the inner element is lower than that of the surrounding elements). A shift in the Bragg peak characterizing the transfer is shown. 図7(d)は、密度及び断面面積が異なる(内側要素の密度が周囲要素の密度よりも高い)2つのディグレーディングサブユニットを備える同心要素の形態のエネルギーディグレーディングユニットを通過するビームによる線量付与を特徴付けるブラッグピークのシフトを示す。FIG. 7(d) shows the dose due to the beam passing through an energy degrading unit in the form of concentric elements comprising two degrading subunits with different densities and cross-sectional areas (the density of the inner element is higher than that of the surrounding elements). A shift in the Bragg peak characterizing the transfer is shown. 図7(e)は、長さ及び断面面積が異なる、並べて配置された2つのディグレーディングサブユニットを備える突出するピンの形態のエネルギーディグレーディングユニットを通過するビームによる線量付与を特徴付けるブラッグピークのシフトを示す。FIG. 7(e) Shifting of the Bragg peak characterizing dose delivery by a beam passing through an energy degrading unit in the form of a protruding pin comprising two side-by-side degrading subunits of different length and cross-sectional area. indicates 図7(f)は、図7(a)に示したタイプのエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の斜視図を示す。Figure 7(f) shows a perspective view of an energy degrading unit (11.i) of the type shown in Figure 7(a). 図7(g)は、図7(e)に示したタイプのエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の斜視図を示す。FIG. 7(g) shows a perspective view of an energy degrading unit (11.i) of the type shown in FIG. 7(e). 図7(h)は、直列構造及び並列構造の両方の混在構造で配置されたディグレーディングサブユニットを備えるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の一実施形態の斜視図を示す。FIG. 7(h) shows a perspective view of an embodiment of the energy degrading unit (11.i) comprising degrading subunits arranged in a mixed configuration of both serial and parallel configurations. 図7(i)は、直列構造及び並列構造の両方の混在構造で配置されたディグレーディングサブユニットを備えるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の代替的な実施形態の斜視図を示す。Figure 7(i) shows a perspective view of an alternative embodiment of an energy degrading unit (11.i) comprising degrading subunits arranged in a mixed configuration of both serial and parallel configurations.

本発明は、荷電粒子加速器、好ましくは陽子加速器のリッジフィルタ(11)の設計方法に関する。本発明のリッジフィルタ(11)は、加速された粒子のビーム(100.i)を用いて、所定の治療計画(TP)に従い、腫瘍細胞(3t)を含む組織の治療体積(V)内の特定の場所に、ペンシルビームスキャン(PBS)によってスポットの配列のスポット(Si)ごとに、特定の線量(Dij)を付与するように構成される。リッジフィルタを用いることにより、治療体積(V)全体を規定する単一ペインティング層でPBSを実行することができる。PBSでは、細いペンシルビームが配列の各スポット(Si)をスキャンするように偏向される。偏向されるのは単一のビームであるが、次々に、対応するスポット(Si)に向けられ、且つ対応するビーム軸(Xi)に沿って延びる各ビーム(100.i)が、異なるスポット(Sk、k≠i)に向けられ、且つ第2のビーム軸(Xk)に沿って延びるビーム(100.k)と異なる個々のビームとして扱われる。図1(b)及び図3(a)に示すように、ビーム軸(Xi)は、照射軸(X)に略平行である。実際には、「個々」のビーム(100.i)は、共通の加速器の出口点から配列の個々のスポット(Si)に向かって偏向される単一のビームであるため、ビーム軸(Xi)は、とりわけ治療体積(V)のサイズと治療体積(V)からの加速器の出口までの距離とに応じて、照射軸(X)との平行から±5°以内、好ましくは±3°以内に含まれる角度で逸れる。 The present invention relates to a method for designing a ridge filter (11) for a charged particle accelerator, preferably a proton accelerator. The ridge filter (11) of the present invention uses a beam of accelerated particles (100.i), according to a predetermined treatment plan (TP), within a treatment volume (V) of tissue containing tumor cells (3t). It is configured to deliver a specific dose (Dij) to each spot (Si) of an array of spots by pencil beam scanning (PBS) at a specific location. By using a ridge filter, PBS can be performed with a single painting layer that defines the entire treatment volume (V). At the PBS, a narrow pencil beam is deflected to scan each spot (Si) in the array. Although it is a single beam that is deflected, in turn each beam (100.i) directed to a corresponding spot (Si) and extending along a corresponding beam axis (Xi) is directed to a different spot ( Sk, k≠i) and treated as individual beams distinct from the beam (100.k) extending along the second beam axis (Xk). As shown in FIGS. 1(b) and 3(a), the beam axis (Xi) is substantially parallel to the irradiation axis (X). In practice, the "individual" beams (100.i) are single beams deflected from a common accelerator exit point towards the individual spots (Si) of the array, so that the beam axis (Xi is within ±5°, preferably within ±3° from parallel to the irradiation axis (X), depending inter alia on the size of the treatment volume (V) and the distance of the exit of the accelerator from the treatment volume (V). Deviates at an included angle.

ビーム(100.i)が横断する組織は、ビームのエネルギーの一部を吸収し、これによりビーム軸(Xi)に沿ったブラッグピークの位置の透過深が決定される。所与の組織におけるブラッグピークの位置の透過深は、「水等価厚」(=WET)として規定される、すなわち水中でビームの伝播が停止する位置を規定する水中での最大ビーム飛程(W0)によって特徴付けられ得る。「水等価厚」(=WET)という表現は、当技術分野において周知であり、粒子ビームが横断する所与の厚さの1つ又は複数の材料と同じ粒子ビームのエネルギーディグレデーションを引き起こす水の厚さとして定義される。最大ビーム飛程(W0)は、組織を通る同じビームの透過深に直接関連し得る。したがって、WET及び組織を通るブラッグピークの位置の透過深は同義で使用され得、当然のことながら、前者(WET)の方が実験的に試験及び測定するのが容易である。 The tissue traversed by the beam (100.i) absorbs a portion of the beam's energy, which determines the penetration depth of the location of the Bragg peak along the beam axis (Xi). The penetration depth of the location of the Bragg peak in a given tissue is defined as the “water equivalent thickness” (=WET), i.e. the maximum beam range in water (W0 ) can be characterized by The expression “water equivalent thickness” (=WET) is well known in the art and refers to the amount of water that causes the same energy degradation of the particle beam as a given thickness of one or more materials traversed by the particle beam. Defined as thickness. Maximum beam range (W0) can be directly related to the depth of penetration of the same beam through tissue. Therefore, WET and penetration depth of the location of the Bragg peak through tissue can be used interchangeably, with the former (WET) being of course easier to test and measure experimentally.

本発明によるリッジフィルタ(11)の設計方法は、
・治療体積(V)並びに治療体積(V)に付与される位置及び線量を示す地図を規定するステップと、
・それに応じてリッジフィルタを設計し、寸法を定めるステップと
を含む。
A method for designing a ridge filter (11) according to the present invention comprises:
- defining a treatment volume (V) and a map showing locations and doses delivered to the treatment volume (V);
- Designing and dimensioning the ridge filter accordingly.

治療体積の規定は、第1に、図1(a)、図1(b)、図3(a)及び図3(b)に概略的に示すように、治療体積(V)に内接する境界を規定することを含む。この操作は、厚さ(dxj)のN枚のスライス(Tj=T1~TN)の上流の平面(Y,Z)jにわたる面積を規定することを含み、平面(Y,Z)jは照射軸(X)に垂直である。上流の平面(Y,Z)jは、ビーム(100.i)が最初に当たるスライス(Tj)の平面(Y,Z)である。照射軸(X)に沿って測定される治療体積(V)の深さは、患者の皮膚(3s)から測定される最短水等価厚(d0)と最長水等価厚(d1)との間に含まれ、これらの水等価厚は、照射軸(X)に沿って測定される皮膚(3s)に対して最も近い境界の点と最も遠い境界の点とにそれぞれ対応する。 The definition of the treatment volume consists first of all of the boundaries inscribed in the treatment volume (V), as shown schematically in FIGS. including specifying This operation involves defining the area across the upstream plane (Y,Z)j of N slices (Tj=T1-TN) of thickness (dxj), where plane (Y,Z)j is the illumination axis perpendicular to (X). The upstream plane (Y,Z)j is the plane (Y,Z) of the slice (Tj) that the beam (100.i) first hits. The depth of the treatment volume (V) measured along the irradiation axis (X) is between the shortest water equivalent thickness (d0) and the longest water equivalent thickness (d1) measured from the patient's skin (3s). Included, these water equivalent thicknesses correspond respectively to the nearest and farthest boundary points to the skin (3s) measured along the illumination axis (X).

第2に、図1(a)、図1(b)、図3(e)及び図3(f)に示すように、境界内に内接する治療体積(V)は、部分体積(Vi)の配列を規定することによって分割される。各部分体積は、対応するビーム軸(Xi)に平行に患者の皮膚から対応する最遠水等価厚(d1)まで延び、照射軸(X)に垂直な平面(Y,Z)上への部分体積(Vi)の配列の投影が、平面(Y,Z)上への体積(V)の投影の面積全体をカバーするスポット(Si)の配列を規定する(図1(a)を参照されたい)。 Second, as shown in FIGS. 1(a), 1(b), 3(e) and 3(f), the treatment volume (V) inscribed within the boundary is the subvolume (Vi) of Partitioned by defining an array. Each sub-volume extends from the patient's skin parallel to the corresponding beam axis (Xi) to the corresponding farthest water equivalent thickness (dl) and extends onto a plane (Y, Z) perpendicular to the irradiation axis (X). The projection of the array of volumes (Vi) defines an array of spots (Si) covering the entire area of the projection of the volume (V) onto the plane (Y, Z) (see Fig. 1(a) ).

第3に、部分体積(Vi)自体が、以下のようにセル(Cij)に分割される。部分体積(Vi)内に含まれるN枚のスライス(T1~TN)の各スライス(Tj)について、セル(Cij)が、対応するスライス(Tj)内に含まれる部分体積(Vi)の一部分として規定される。このことは、図1(a)、図3(e)及び図3(f)に示されている。所与の部分体積(Vi)の各セル(Cij)について、皮膚(3s)からセル(Cij)の幾何学的中心までのセルの水等価厚(dij)が決定される。TPに従ってセル(Cij)に特定の線量(Dij)を付与するために必要なビーム重み(ωij)がセル(Cij)ごとに決定される。ビーム重み(ωij)は、スポット(Cij)に送達される荷電粒子(例えば、陽子)の数に対応する。したがって、ビーム重み(ωij)は、セルの水等価厚(dij)における荷電粒子の数に比例する。 Third, the partial volume (Vi) itself is divided into cells (Cij) as follows. For each slice (Tj) of the N slices (T1-TN) contained within the subvolume (Vi), a cell (Cij) as part of the subvolume (Vi) contained within the corresponding slice (Tj) Defined. This is illustrated in FIGS. 1(a), 3(e) and 3(f). For each cell (Cij) of a given partial volume (Vi), the water equivalent thickness (dij) of the cell from the skin (3s) to the geometric center of the cell (Cij) is determined. The beam weights (ωij) required to deliver a particular dose (Dij) to the cell (Cij) according to TP are determined for each cell (Cij). The beam weight (ωij) corresponds to the number of charged particles (eg, protons) delivered to the spot (Cij). The beam weights (ωij) are therefore proportional to the number of charged particles in the water-equivalent thickness (dij) of the cell.

治療体積が部分体積(Vi)、そしてセル(Cij)に分割され、治療計画に従って各セル(Cij)に線量(Dij)を付与するために必要なビーム重み(ωij)が決定されると、それに応じてリッジフィルタ(11)が以下のように設計され、寸法を定められ得る。 Once the treatment volume has been divided into sub-volumes (Vi) and cells (Cij) and the beam weights (ωij) required to deliver a dose (Dij) to each cell (Cij) according to the treatment plan are determined, then The ridge filter (11) can be designed and dimensioned accordingly as follows.

リッジフィルタ(11)は、特定の線量(Dij)がTPに従って部分体積(Vi)内に含まれる対応するセル(Cij)にセルの水等価厚(dij)において付与されるように、対応するビーム軸(Xi)及び部分体積(Vi)と同軸であり、ビーム直径(D100.i)を有する荷電粒子のビーム(100.i)の初期エネルギー(E0)を低減されたエネルギー(Eij)に低減するように構成されたエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の組を備える。図2(a)及び図2(b)に原理を示す。 A ridge filter (11) is applied to the corresponding beam (11) such that a particular dose (Dij) is delivered to the corresponding cell (Cij) contained within the sub-volume (Vi) according to TP at the water equivalent thickness (dij) of the cell. reducing the initial energy (E0) of a beam of charged particles (100.i) coaxial with the axis (Xi) and the partial volume (Vi) and having a beam diameter (D100.i) to a reduced energy (Eij) a set of energy degrading units (11.i) configured to: The principle is shown in FIGS. 2(a) and 2(b).

図2(a)は、所与のエネルギー(E0)のビーム(100.i)によってビーム軸(Xi)に沿ってWETの関数として付与された線量(Dij)をプロットしたものである。上述のように、水中での最大ビーム飛程(WET)は、W0と規定され、ブラッグピークの最大値を超えた深さに対応し、且つブラッグピークの最大値の80%に等しいエネルギーに対応する。このことは、所与のエネルギーのビーム(100.i)は、対応する水等価厚さW0よりも深くには組織に透過することができないことを意味する(すなわちd1≦W0)。d1>W0の場合、すなわち治療体積(V)がブラッグピークよりも深く延びる場合、より高いエネルギーのビームを使用しなければならない。図2(b)は、所与のエネルギーの同じビーム(100.i)の経路にディグレーディングサブユニット(11.ij)を挿入したときのブラッグピークの変位を示す。この場合、ブラッグピークのWETは、皮膚(3s)から深さ(dij<W0)にあることが分かる。これは、ビーム(100.i)のエネルギーの一部(E0-Eij)が、ビームが通らなければならないディグレーディングサブユニット(11.ij)によって吸収されるためである。図2(b)は、ディグレーディングサブユニット(11.ij)を介在させることによってWET=W0を形成する1つのブラッグピークを所望のWET=dijに変位させる方法を示す。SOBPは、単一ペインティング層でのPBSによって部分体積(Vi)全体に必要な線量(Dij)を付与するように、照射軸(X)に沿って所与の深さにわたって分布するいくつかのブラッグピークを重ね合わせることによって形成され得るため、いくつかのディグレーディングサブユニット(11.ij)が重ね合わされてエネルギーディグレーディングユニット(11i)を形成することができ、各ディグレーディングサブユニット(11.ij)は、ブラッグピークをWET=W0から対応するセルの等価厚さ(dij)にシフトするように寸法を定められて、必要な線量(Dij)がビーム(100.i)によって照射される部分体積(Vi)の各セル(Cij)に付与されることを確保する。このことが図6(a)~図6(e)に示されており、図6(a)~図6(e)では、それぞれがN=3個、N=6個及びN→∞のディグレーディングサブユニット(11.ij)から構成されるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)及び対応するSOBPを示す。TPに従う所望のSOBPを得るために必要なブラッグピークの数及びそれらに対応するセルの水等価厚(dij)が決定されなければならない。所与のビーム(100.i)のブラッグピーク、したがって対応するエネルギーディグレーディングユニット(11.i)のディグレーディングサブユニット(11.ij)の数は、スライス(T1~TN)の数Nに等しい。所与のビーム(100.i)の各ブラッグピークは、対応するエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を有し、それらのディグレーディングサブユニット(11.ij)は、必要なSOBPを得るように、ひいては対応するセル(Cij)に必要な線量(Dij)を付与するように設計され得る。図6(c)及び図6(e)に示すようなN→∞のディグレーディングサブユニット(11.ij)の場合、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)の階段状の構成の段差は、略ゼロになるまで小さくなって、図6(c)及び図6(e)に示す切頂一般化円錐の表面が平坦な幾何学的形状をもたらし、一般化円錐は、円に限定されない任意の幾何学的形状の底面を有し得る。 FIG. 2(a) plots the dose (Dij) delivered by a beam (100.i) of given energy (E0) along the beam axis (Xi) as a function of WET. As noted above, the maximum beam range (WET) in water is defined as W0, corresponding to a depth above the maximum of the Bragg peak and corresponding to an energy equal to 80% of the maximum of the Bragg peak. do. This means that a beam (100.i) of a given energy cannot penetrate tissue deeper than the corresponding water equivalent thickness W0 (ie d1≦W0). If d1>W0, ie if the treatment volume (V) extends deeper than the Bragg peak, a higher energy beam should be used. FIG. 2(b) shows the displacement of the Bragg peak when a degrading subunit (11.ij) is inserted in the path of the same beam (100.i) of given energy. In this case, it can be seen that the WET of the Bragg peak is at depth (dij<W0) from the skin (3s). This is because part of the energy (E0-Eij) of the beam (100.i) is absorbed by the degrading subunits (11.ij) through which the beam must pass. FIG. 2(b) shows how one Bragg peak forming WET=W0 can be displaced to the desired WET=dij by interposing a degrading subunit (11.ij). The SOBP is several Several degrading subunits (11.ij) can be superimposed to form an energy degrading unit (11i), each degrading subunit (11.ij) can be formed by superposing Bragg peaks. ij) are dimensioned to shift the Bragg peak from WET=W0 to the equivalent thickness of the corresponding cell (dij) and the required dose (Dij) is irradiated by beam (100.i) Ensure that each cell (Cij) of the volume (Vi) is attached. This is illustrated in FIGS. 6(a)-6(e), where N=3, N=6 and N→∞ respectively. Energy degrading units (11.i) composed of grading subunits (11.ij) and corresponding SOBPs are shown. The number of Bragg peaks and their corresponding cell water equivalent thicknesses (dij) required to obtain the desired SOBP according to TP must be determined. The number of Bragg peaks of a given beam (100.i) and thus the number of degrading subunits (11.ij) of the corresponding energy degrading unit (11.i) is equal to the number of slices (T1-TN) N . Each Bragg peak of a given beam (100.i) has a corresponding energy degrading unit (11.i) whose degrading subunits (11.ij) are arranged to obtain the required SOBP , and in turn can be designed to deliver the required dose (Dij) to the corresponding cell (Cij). In the case of N→∞ degrading subunits (11.ij) as shown in FIGS. Decreasing to zero, the surfaces of the truncated generalized cones shown in FIGS. can have a geometrically shaped bottom surface.

各ディグレーディングサブユニット(11.ij)は、対応するビーム軸(Xi)に垂直な面積(Aij)の底面と、対応するビーム軸(Xi)に平行な長さ(Lij)の母線とから構成される一般化円筒ジオメトリを有する(すなわち必ずしも円柱であるとは限らない)。図4(a)~図4(e)及び図5(a)~図5(e)に示すディグレーディングサブユニットは、円形又は多角形の断面を有する。他の断面も可能であることは明らかである。ただし、面積(Aij)の寸法を定める計算を容易にするために、断面にはある程度の対称性があることが望ましい。ディグレーディングサブユニットは、対応するビーム軸(Xi)に沿って単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)を有する材料で作られる。各ディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)及び面積(Aij)は、以下のように寸法を定められ得る。 Each degrading subunit (11.ij) consists of a base of area (Aij) perpendicular to the corresponding beam axis (Xi) and a generatrix of length (Lij) parallel to the corresponding beam axis (Xi). has a generalized cylindrical geometry (ie not necessarily a cylinder). The degrading subunits shown in FIGS. 4(a)-4(e) and 5(a)-5(e) have circular or polygonal cross-sections. It is clear that other cross-sections are also possible. However, it is desirable to have some degree of symmetry in the cross section to facilitate the calculations that define the dimensions of the area (Aij). The degrading subunits are made of material that has a water equivalent thickness (Wu) of the subunit per unit length along the corresponding beam axis (Xi). The length (Lij) and area (Aij) of each degrading subunit (11.ij) can be dimensioned as follows.

ディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)は、ディグレーディングサブユニット(11.i)が単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)と長さ(Lij)との積に等しいサブユニットの水等価厚(Wij=Wu×Lij)を有するように決定される。サブユニットの水等価厚(Wij)とセルの水等価厚(dij)との和が最大ビーム飛程(W0)に等しくなければならない(すなわちW0=Wij+dij)ことを考慮すると、ディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)は、

Figure 2023074477000005
と規定され、係数(W0-dij)は図2(b)において図示されている。このようにして、ディグレーディングサブユニットの長さが完全に規定される。 The length (Lij) of a degrading subunit (11.ij) is the product of the subunit water equivalent thickness (Wu) and the length (Lij) per unit length of the degrading subunit (11.i). is determined to have the subunit water equivalent thickness (Wij=Wu*Lij) equal to . Considering that the sum of the subunit water equivalent thickness (Wij) and the cell water equivalent thickness (dij) must equal the maximum beam range (W0) (i.e., W0 = Wij + dij), the degrading subunit ( 11. The length (Lij) of ij) is
Figure 2023074477000005
and the coefficient (W0-dij) is illustrated in FIG. 2(b). In this way the length of the degrading subunit is completely defined.

ディグレーディングサブユニット(11.ij)の面積(Aij)は、正規化されたビーム重み(ωij/Σωij)を、サブユニットの底面面積(Aij)にわたるフルエンス(F(y,z))の積分の、ディグレーディングユニット(11.i)の底面面積(Abi)にわたるフルエンス(F(y,z))の積分に対する比に等しくすることによって決定され、

Figure 2023074477000006
ここで、フルエンスF(y,z)は、ビームの位置(y,z)におけるビーム(100.i)の単位面積あたりの電荷の数であり、底面面積(Abi)は、図4(a)及び図5(a)に示すようにサブユニットの面積(Aij)の和に等しい(すなわちAbi=ΣAij)。図7(a)~図7(e)に示すように、荷電粒子のビームのフルエンスは、一般にガウス分布を有する。ビームの直径(D100)は、距離4σと規定され、σは、ビームのフルエンスを特徴付けるガウス分布の標準偏差である。スポットの陽子の約95%がこの直径4σの中に位置している。 The area (Aij) of the degrading subunit (11.ij) is the normalized beam weight (ωij/ Σjωij ) of the fluence (F(y,z)) over the subunit base area (Aij). determined by equaling the ratio of the integral to the integral of the fluence (F(y,z)) over the base area (Abi) of the degrading unit (11.i),
Figure 2023074477000006
where the fluence F(y,z) is the number of charges per unit area of the beam (100.i) at the beam position (y,z) and the base area (Abi) is and equal to the sum of the subunit areas (Aij) as shown in FIG. 5(a) (ie, Abi=Σ j Aij). As shown in FIGS. 7(a)-7(e), the fluence of the beam of charged particles generally has a Gaussian distribution. The beam diameter (D100) is defined as the distance 4σ, where σ is the standard deviation of the Gaussian distribution that characterizes the beam fluence. About 95% of the protons in the spot are located within this diameter 4σ.

図4(b)~図4(e)、図4(g)~図4(j)、図5(b)~図5(e)及び図5(g)~図5(j)に示すように、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)の3つのディグレーディングサブユニット(11.ij)は、寸法を定められた状態で、同軸に組み合わされて、部分体積(Vi)に必要な線量(Dij)を付与させるためにビーム(100.i)のエネルギーをディグレーディングするように設計されたエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を得ることができる。 4(b) to 4(e), 4(g) to 4(j), 5(b) to 5(e) and 5(g) to 5(j) In addition, the three degrading subunits (11.ij) of the energy degrading unit (11.i) are dimensioned and coaxially combined to produce the required dose (Dij ), an energy degrading unit (11.i) designed to degrade the energy of the beam (100.i) in order to impart .

同じ動作が繰り返されて、すべての残りの部分体積(Vi)に対応するエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を上記で定義されたように設計する。 The same operation is repeated to design energy degrading units (11.i) corresponding to all remaining partial volumes (Vi) as defined above.

スポット(Si)の配列
図1(a)に示すように、照射軸(X)に垂直な投影面(Y,Z)上に、照射軸(X)に平行に投影した治療体積(V)の領域をカバーするスポット(Si)の配列が規定される。
Array of spots (Si) As shown in FIG. An array of spots (Si) covering the area is defined.

腫瘍医が、コンピュータ断層撮影(=CTスキャン)によって得られた腫瘍領域の画像に基づいて、腫瘍領域の幾何学的形状(geometry)及び組織分布(topography)の特性を明らかにする。図1(b)に示すように、治療体積(V)に到達するために、治療体積(V)を患者の皮膚(3s)から隔てている健康な細胞をビーム(100.i)が通過しなければならず、これにより健康な細胞と腫瘍細胞との両方が照射される。腫瘍医は、治療体積(V)に付与される線量(Dij)と、治療体積の外側(特に、上流)に位置する健康な細胞において超えてはならない線量付与とを規定する治療計画を規定する。 The oncologist characterizes the geometry and topography of the tumor area on the basis of images of the tumor area obtained by computed tomography (=CT scan). To reach the treatment volume (V), the beam (100.i) passes through healthy cells separating the treatment volume (V) from the patient's skin (3s), as shown in FIG. 1(b). This should irradiate both healthy and tumor cells. The oncologist defines a treatment plan that defines the dose (Dij) delivered to the treatment volume (V) and the dose delivery that should not be exceeded in healthy cells located outside (especially upstream) of the treatment volume .

スポットは、照射軸(X)に垂直な方向の寸法を有し、これは、上で論じたビーム直径に等しくなり得る。配列の密度が高いほど(すなわち隣接するスポットが互いに近いほど)、隣接するスポットの広がった細胞への線量の重なりの影響が大きくなるため、配列密度を規定する隣接するスポット間の距離は重要なパラメータである。隣接するスポット間の距離が約1.5σのときに、横方向の一様な線量分布が確認されるような十分な重なりが観測される。 The spot has a dimension perpendicular to the illumination axis (X), which can be equal to the beam diameter discussed above. The distance between adjacent spots, which defines the array density, is important because the higher the array density (i.e., the closer adjacent spots are to each other), the greater the effect of dose overlap on the spread cells of adjacent spots. is a parameter. Sufficient overlap is observed to confirm a uniform lateral dose distribution when the distance between adjacent spots is about 1.5σ.

第1の実施形態では、スポットの配列のスポット(Si)は、単一のスポットにおけるビーム(100.i)のフルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.8倍以下(すなわちds≦1.8σ)、好ましくは1.5σ以下の距離(ds)だけ互いに隔てられる。この構成では、所与の部分体積(Vi)は、対応するビーム軸(Xi)を中心とするビーム(100.i)からだけではなく、隣接するビーム軸を中心とする隣接するビームからも、そのフルエンスが所与の部分体積(Vi)にわたって広がり、また所与のディグレーディングユニット11.iにわたって広がる線量(Dij)を受ける。隣接するビームによって部分体積(Vi)に付与される線量を考慮すると、底面面積(Abi)を通過するビーム(100.i)のフルエンス(F(y,z))(式(1)を参照されたい)は、体積(V)に内接する境界を規定するスライス(Tj)の平面(Y,Z)jのすべての値にわたって一定であるように近似される。 In the first embodiment, the spots (Si) of the array of spots are not more than 1.8 times the standard deviation (σ) of the fluence (Fi (y, z)) of the beam (100.i) in a single spot (ie ds≦1.8σ), preferably separated from each other by a distance (ds) of 1.5σ or less. In this configuration, a given subvolume (Vi) is not only from beams (100.i) centered on the corresponding beam axis (Xi), but also from adjacent beams centered on adjacent beam axes. The fluence spreads over a given sub-volume (Vi) and also for a given degrading unit 11 . Receive a dose (Dij) spread over i. Considering the dose delivered to the subvolume (Vi) by adjacent beams, the fluence (F(y,z)) of the beam (100.i) passing through the base area (Abi) (see equation (1) ) is approximated to be constant over all values of the plane (Y,Z)j of the slice (Tj) defining the inscribed boundary of the volume (V).

第2の実施形態では、スポットの配列のスポット(Si)は、単一のスポット(100.i)におけるビーム(100.i)のフルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.2倍超(すなわちds>1.2σ)、好ましくは1.5倍超の距離(ds)だけ互いに隔てられる。このような距離では、所与のディグレーディングユニット(11.i)を通る隣接するビームのフルエンスは、無視することができる。したがって、底面面積(Abi)を通過するビーム(100.i)のフルエンス(Fi(y,z))は、ガウス分布

Figure 2023074477000007
であるように近似され、ここで、(yi,zi)は、(Y,Z)平面におけるスポット(Si)のフルエンスの最大値(Ai)の位置の座標であり、円形スポットの場合、σ=σ=σである。 In a second embodiment, the spots (Si) of the array of spots are the standard deviation (σ) of the fluence (Fi(y,z)) of the beam (100.i) at a single spot (100.i). separated from each other by a distance (ds) greater than 1.2 times (ie ds>1.2σ), preferably greater than 1.5 times. At such distances, the fluence of adjacent beams through a given degrading unit (11.i) can be neglected. Therefore, the fluence (Fi(y,z)) of the beam (100.i) passing through the base area (Abi) is Gaussian distributed
Figure 2023074477000007
where (yi,zi) are the coordinates of the location of the maximum fluence (Ai) of the spot (Si) in the (Y,Z) plane, and for a circular spot, σ y = σ z = σ.

スポット(Si)の配列の密度を上げることは、密度の低い配列よりも常に有利であるように見えることがある。しかしながら、密度の高い配列を照射することにより、治療体積(V)全体をカバーするために必要なスキャン時間が長くなる。更に、健康な細胞を温存するためのFLASH効果を得るためにHDRで線量(Dij)を付与するFLASH付与は、線量が隣接するビームから付与されるために付与時間が長くなる(且つそれに応じて付与速度が低下する)ことから、密度の高い配列では実現することが困難である。したがって、スポット(Si)の配列の密度は、個別に決定される。 A dense array of spots (Si) may appear to always be advantageous over a less dense array. However, irradiating dense arrays increases the scan time required to cover the entire treatment volume (V). Furthermore, FLASH delivery, which delivers a dose (Dij) in HDR to obtain a FLASH effect for sparing healthy cells, results in longer delivery times (and correspondingly This is difficult to achieve in high density arrays because the rate of application slows down). Therefore, the density of the array of spots (Si) is determined individually.

ディグレーディングユニット(11.i)
本発明のリッジフィルタ(11)の原理は、各スポット(Si)について、対応する部分体積(Vi)において所望のSOBPが得られるように、拡大されたピークが、患者の皮膚(3s)から測定される最短水等価厚(d0)と最長水等価厚(d1)との間に延び、治療体積内に含まれる部分体積(Vi)の部分を境界とする状態で、ビーム(100.i)のエネルギーをディグレーディングすることである。課題は、所望の線量(Dij)が、対応する部分体積(Vi)の対応するセル(Cij)に付与されるように、ビーム(100.i)の重み(ωi)全体のうちの所定のビーム重み部分(ωij)のブラッグピークを対応するセルの水等価厚(dij)に移動させるように、ビーム(100.i)のほんの一部分のエネルギーをディグレーディングすることである。
Degrading unit (11.i)
The principle of the ridge filter (11) of the present invention is that for each spot (Si) a broadened peak is measured from the patient's skin (3s) so as to obtain the desired SOBP in the corresponding sub-volume (Vi) of the beam (100.i), bounded by a portion of the partial volume (Vi) extending between the shortest water equivalent thickness (d0) and the longest water equivalent thickness (d1) that is applied and contained within the treatment volume. It is to degrade the energy. The problem is to select a given beam out of the total weights (ωi) of the beams (100.i) such that the desired dose (Dij) is imparted to the corresponding cell (Cij) of the corresponding subvolume (Vi). It is to degrade the energy of a fraction of the beam (100.i) so as to move the Bragg peak of the weighted portion (ωij) to the water equivalent thickness (dij) of the corresponding cell.

上記の目的を達成するために、ここで、エネルギーディグレーディングユニット(11i)の3種の幾何学的形状が、エネルギーディグレーディングユニット(11i)を形成するディグレーディングサブユニット(11.ij)の寸法を定めるための対応する方法と併せて提案される。ある幾何学的形状が別の幾何学的形状と組み合わされて、最も利便性の高いリッジフィルタを実現することができる。
・オリフィスの形態のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)、
・ピンの形態のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)、
・異なる単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)を有する異なる材料を組み合わせたエネルギーディグレーディングユニット(11i)。
To achieve the above objectives, here three geometrical shapes of the energy degrading unit (11i) are defined by the dimensions of the degrading subunits (11.ij) forming the energy degrading unit (11i): is proposed in conjunction with a corresponding method for determining One geometry can be combined with another to achieve the most convenient ridge filter.
an energy degrading unit (11.i) in the form of an orifice,
an energy degrading unit (11.i) in the form of a pin,
• An energy degrading unit (11i) combining different materials with different subunit water equivalent thicknesses (Wu) per unit length.

ディグレーディングユニット(11.i)がオリフィスである場合
図4(a)~図4(e)、図4(f)~図4(j)及び図6(a)~図6(c)に示す本実施形態では、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、ビーム軸(Xi)に沿って測定される厚さ(Bi)の支持ベース(11b)において、スポット(Si)の配列に従って並べて配置されたオリフィスの形態である。各オリフィスは、支持ベース(11b)の表面に開口している開口部から延び、対応するビーム軸(Xi)に沿って測定される所与の深さまで貫通する。各エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、断面面積(Axij)の一般化円筒ジオメトリを有し、且つ対応するビーム軸(Xi)に沿って支持ブロック(11b)の開口部から、Lij=Bi-Lsijであるような長さ(Lsij)にわたって延びるオリフィスの形態の1つ又は複数のディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)によって形成される。ディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)は、ビーム(100.i)の直径(D100)よりわずかに大きいか又はそれと等しい直径以内となるように、且つサブユニットの底面面積(Aij)の和が底面面積(Abi)に等しくなる(すなわち、

Figure 2023074477000008
)ように構成される。 When the degrading unit (11.i) is an orifice, as shown in FIGS. 4(a) to 4(e), 4(f) to 4(j) and 6(a) to 6(c) In this embodiment, the energy degrading units (11.i) are arranged side by side according to the array of spots (Si) on a supporting base (11b) of thickness (Bi) measured along the beam axis (Xi). It is in the form of an orifice. Each orifice extends from an opening that opens into the surface of the support base (11b) and penetrates to a given depth measured along the corresponding beam axis (Xi). Each energy degrading unit (11.i) has a generalized cylindrical geometry of cross-sectional area (Axij) and from the opening of the support block (11b) along the corresponding beam axis (Xi), Lij = Bi - formed by one or more degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1) in the form of orifices extending over a length (Lsij) such that Lsij. so that the degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1) are within a diameter slightly greater than or equal to the diameter (D100) of the beam (100.i), and The sum of the subunit base areas (Aij) equals the base area (Abi) (i.e.
Figure 2023074477000008
) is configured as

図4(a)~図4(e)及び図7(b)に示す好ましい実施形態では、ディグレーディングサブユニットは、直列構造で配置され、ディグレーディングサブユニット(11.ij)が、長さ(Lsij)が減少する順に、対応するビーム軸(Xi)に沿って整列される。ディグレーディングサブユニット(11.ij)は、好ましくは、同軸に且つ最長の長さ(Lsi3)を有するオリフィスが中央位置に配置される状態で配置される。ディグレーディングサブユニット(11.ij)は、他の構成、例えば同心円状ではない構成において且つ最長の長さ(Li3)のオリフィスが必ずしも中心でない状態で配置することもできる。 In the preferred embodiment shown in FIGS. 4(a)-4(e) and 7(b), the degrading subunits are arranged in a serial configuration and the degrading subunits (11.ij) have a length ( Lsij) are aligned along the corresponding beam axis (Xi) in decreasing order. The degrading subunits (11.ij) are preferably arranged coaxially and with the orifice with the longest length (Lsi3) located in the central position. The degrading subunits (11.ij) can also be arranged in other configurations, eg non-concentric configurations and with the orifice of longest length (Li3) not necessarily central.

ディグレーディングサブユニット(11.ij)が同心円状に配置される実施形態では、各ディグレーディングサブユニット(11.ij)のサブユニットの底面面積(Aij)のうち、最深のオリフィス(11.i3)のサブユニットの底面面積(Ai3)を除く部分は環状の幾何学的形状を有する。その結果、所与のディグレーディングサブユニット(11.ij)のサブユニットの底面面積(Aij)は、所与のディグレーディングユニット(11.ij)の断面面積(Axij)と、所与のディグレーディングユニット内に外接したディグレーディングユニットの断面面積(Axi(j+1))との間の断面面積の差分(Axij-Axi(j+1))に等しく、ディグレーディングサブユニット(11.ij)の断面面積(Axij)は、ディグレーディングサブユニット(11.ij)の断面の外周内に含まれる対応するビーム軸(Xij)に垂直なオリフィスの断面面積である。 In embodiments in which the degrading subunits (11.ij) are arranged concentrically, of the subunit base areas (Aij) of each degrading subunit (11.ij), the deepest orifice (11.i3) has a circular geometry except for the base area (Ai3) of the subunit. As a result, the subunit base area (Aij) of a given degrading subunit (11.ij) is the sum of the cross-sectional area (Axij) of the given degrading unit (11.ij) and the given degrading The cross-sectional area of the degrading subunit (11. ) is the cross-sectional area of the orifice perpendicular to the corresponding beam axis (Xij) contained within the perimeter of the cross-section of the degrading subunit (11.ij).

図4(f)~図4(j)に示す代替的な実施形態では、ディグレーディングサブユニットは、並列構造で配置され得る。この実施形態では、ディグレーディングサブユニットは、図7(e)及び図7(g)のピンに関して示されたような(オリフィスによる対応する設計を想像することは容易である)2つのディグレーディングサブユニット間に空間なしの状態又は隣接する図4(f)及び図4(g)に示すような2つのディグレーディングサブユニット間に空間がある状態の何れかで底面面積(Abi)内に並べて配置される。 In alternative embodiments shown in FIGS. 4(f)-4(j), the degrading subunits may be arranged in a side-by-side configuration. In this embodiment, the degrading subunits are two degrading subunits (it is easy to imagine a corresponding design with orifices) as shown for the pins in FIGS. 7(e) and 7(g). Arranged side by side within the base area (Abi) with either no space between units or space between two degrading subunits as shown in adjacent FIGS. 4(f) and 4(g) be done.

更なる代替的な実施形態では、ディグレーディングサブユニットは、直列構造及び並列構造の両方の混在構造で配置され得る。図7(h)及び図7(i)のピンに関して示されたこの構成では(オリフィスによる対応する設計を想像することは容易である)、3つ以上のディグレーディングサブユニット(11.ij)が直列及び並列の両方で配置され、1つ又は複数の構造が、対応するビーム軸(Xi)に沿って直列に整列された2つ以上のディグレーディングサブユニットによって形成され、任意選択で、1つ又は複数の個々のディグレーディングサブユニットが底面面積(Abi)内に並べて配置される。 In further alternative embodiments, the degrading subunits may be arranged in a mixture of both serial and parallel configurations. In this configuration shown for the pins in FIGS. 7(h) and 7(i) (it is easy to imagine a corresponding design with orifices), three or more degrading subunits (11.ij) Arranged both in series and in parallel, one or more structures formed by two or more degrading subunits aligned in series along corresponding beam axes (Xi), optionally one or a plurality of individual degrading subunits arranged side by side within a base area (Abi).

本実施形態は、支持ベース(11b)を形成するブロックを機械加工若しくはエッチングするか、又は三次元プリンティング技法によって形成することにより、特に製造が容易である。ビーム(100.i)の最大フルエンスがビーム軸(Xi)にあることを考えると、フルエンスのガウス分布の最大値においてビーム軸(Xi)と交差するディグレーディングサブユニット(11.ij)の製造誤差は周辺位置における場合よりも重要である。ピンではなくオリフィスを使うことには、ブラッグピークに割り当てられる重みがスポットのフルエンスと一致するという利点がある。実際、より大きい飛程を有するブラッグピークは、通常、治療計画においてより大きい重み(ωij)を有するブラッグピークである。したがって、対応するサブユニット(すなわち最短の長さLiを有するサブユニット)をビームの最高フルエンスの位置(すなわち中心)に配置し得る。加えて、最長の長さLiを有するサブユニットは、通常重みが小さいブラッグピーク(最短の飛程のブラッグピーク)に対応し、したがって断面が小さい。したがって、サブユニットは、最小のフルエンスを有するスポットの領域に配置されると都合がよい。オリフィスを厳しい公差で形成することは、所望の効果を得るために必要な長さ(Lij)の細いピンを同じ公差で形成することより容易である。最長の長さ(Lij)のディグレーディングサブユニットをオフセットすることは、製造におけるわずかな逸脱の重みを減らすことにも寄与し得る。 This embodiment is particularly easy to manufacture by machining or etching the blocks forming the support base (11b) or forming them by three-dimensional printing techniques. Given that the maximum fluence of the beam (100.i) is on the beam axis (Xi), the manufacturing error of the degrading subunit (11.ij) that intersects the beam axis (Xi) at the maximum of the Gaussian distribution of fluences is more important than at peripheral locations. Using orifices rather than pins has the advantage that the weight assigned to the Bragg peak matches the fluence of the spot. In fact, Bragg peaks with greater range are usually Bragg peaks with greater weight (ωij) in the treatment plan. Therefore, the corresponding subunit (ie, the subunit with the shortest length Li) can be placed at the position of highest fluence (ie, center) of the beam. In addition, the subunits with the longest lengths Li usually correspond to Bragg peaks with low weights (shortest range Bragg peaks) and thus have small cross-sections. Therefore, subunits are conveniently placed in the region of the spot with the lowest fluence. Forming an orifice to tight tolerances is easier than forming a thin pin of the required length (Lij) to the same tolerances to achieve the desired effect. Offsetting the degrading subunits with the longest length (Lij) can also help reduce the weight of small deviations in manufacturing.

分かりやすくするために、図4(a)~図4(e)は、3つのディグレーディングサブユニット(11.ij)で形成されるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を示し、図7(b)は、2つのディグレーディングサブユニット(11.ij)のみで形成されるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を示す。より滑らかなSOBPプラトーを得るために、ディグレーディングサブユニットの数(N)は、実際には、より多くなり得ることは明らかである。図6(a)~図6(c)は、3個、6個及び「無限数」のディグレーディングサブユニット(11.ij)を備える同様のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を示し、無限数の場合には切頂三角錐オリフィスが形成される。図6(a)~図6(c)のすべてのオリフィスは、開口部面積(Axi1)及び底部面積(Axi3)を有し、長さ(Lsi3)のオリフィスである(記号の意味については、図4(a)~図4(e)を参照されたい)。 For clarity, FIGS. 4(a)-4(e) show an energy degrading unit (11.i) formed of three degrading subunits (11.ij) and FIG. 7(b ) denotes an energy degrading unit (11.i) formed of only two degrading subunits (11.ij). It is clear that the number of degrading subunits (N) can actually be higher in order to obtain a smoother SOBP plateau. Figures 6(a)-6(c) show similar energy degrading units (11.i) with 3, 6 and an "infinite number" of degrading subunits (11.ij), with infinite In the case of numbers, truncated triangular pyramidal orifices are formed. All orifices in FIGS. 6(a)-6(c) are orifices of length (Lsi3) with opening area (Axi1) and bottom area (Axi3) (see Figure 4(a) to 4(e)).

図4(c)~図4(e)では、各ディグレーディングサブユニットが別々に示されており、その全体が一般化中空円筒を形成し、それらが互いに嵌め合わされて図4(b)のディグレーディングサブユニットを形成する。実際には、図4(b)のディグレーディングサブユニット(11.ij)は、支持ベース(11b)を機械加工若しくはエッチングしてオリフィスを形成するか、又は三次元プリンティング技法によって対応するオリフィスと共にリッジフィルタを形成することによって製造され得る。 In FIGS. 4(c)-4(e), each degrading subunit is shown separately, the whole forming a generalized hollow cylinder, which are fitted together to form the digrading unit of FIG. 4(b). Forms a grading subunit. In practice, the degrading subunit (11.ij) of FIG. 4(b) is machined or etched into the support base (11b) to form orifices, or ridges with corresponding orifices are formed by three-dimensional printing techniques. It can be manufactured by forming a filter.

ディグレーディングユニット(11.i)がピンである場合
図5(a)~図5(e)、図7(a)、図7(e)及び図7(f)に示す代替的な実施形態では、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、スポット(Si)の配列に従って並べて配置され、ビーム軸(Xi)に沿って測定される厚さ(Bi)の支持ベース(11b)上で支持されたピンの形態である。各ピンは、対応するビーム軸(Xi)に沿って支持ベースから延びる。各エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、断面面積(Axij)の一般化円筒ジオメトリを有し、且つ対応するビーム軸(Xi)に沿って支持ベースから、Lij=Bi+Lsijであるような長さ(Lsij)にわたって延びる1つ又は複数のディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)によって形成される。ディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)は、ビーム(100.i)の直径(D100)よりわずかに大きいか又はそれと等しい直径以内となるように、且つサブユニットの底面面積(Aij)の和が底面面積(Abi)に等しくなる(すなわち、

Figure 2023074477000009
)ように構成される。 If the degrading unit (11.i) is a pin In an alternative embodiment shown in FIGS. 5(a)-5(e), 7(a), 7(e) and 7(f) , energy degrading units (11.i) arranged side by side according to an array of spots (Si) and supported on a support base (11b) of thickness (Bi) measured along the beam axis (Xi) It is in the form of a pin. Each pin extends from the support base along a corresponding beam axis (Xi). Each energy degrading unit (11.i) has a generalized cylindrical geometry of cross-sectional area (Axij) and a length such that Lij = Bi + Lsij from the support base along the corresponding beam axis (Xi) (Lsij) is formed by one or more degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1). so that the degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1) are within a diameter slightly greater than or equal to the diameter (D100) of the beam (100.i), and The sum of the subunit base areas (Aij) equals the base area (Abi) (i.e.
Figure 2023074477000009
) is configured as

図5(a)~図5(e)及び図7(a)に示す好ましい実施形態では、ディグレーディングサブユニット(11.ij)は、直列に配置される。この構造では、ディグレーディングサブユニットは対応するビーム軸(Xi)に沿って、長さ(Lsij)が減少する順に整列される。ディグレーディングサブユニットは、好ましくは、同軸に且つ最長の長さ(Lsi1)を有するピンが中央位置に配置される状態で配置される。 In the preferred embodiment shown in FIGS. 5(a)-5(e) and 7(a), the degrading subunits (11.ij) are arranged in series. In this structure, the degrading subunits are aligned in order of decreasing length (Lsij) along the corresponding beam axis (Xi). The degrading subunits are preferably arranged coaxially and with the pin having the longest length (Lsi1) located in the central position.

ディグレーディングサブユニット(11.ij)が同心円状に配置される実施形態では、所与のディグレーディングサブユニット(11.ij)のサブユニットの底面面積(Aij)が、所与のディグレーディングユニット(11.ij)の断面面積(Axij)と、所与のディグレーディングユニット内に外接したディグレーディングユニットの断面面積(Axi(j-1))との間の断面面積の差分(Axij-Axi(j-1))に等しい。換言すれば、有限の数N個のディグレーディングサブユニット(11.ij)については、ピンが階段状の角錐の形状である(図4(b)~図4(e)を参照されたい)。所与のディグレーディングサブユニット(11.ij)の面積(Aij)は、所与のディグレーディングサブユニット(11.ij)より小さい寸法の次のディグレーディングサブユニット(11.i(j+1))を囲む所与のディグレーディングサブユニット(11.ij)によって形成される階段の踏面(又はフランジ)の面積である。 In embodiments in which the degrading subunits (11.ij) are arranged concentrically, the base area (Aij) of the subunits of a given degrading subunit (11.ij) is the same as that of a given degrading unit (11.ij). 11.ij) and the cross-sectional area of the degrading unit circumscribed within the given degrading unit (Axi(j−1)) (Axij−Axi(j −1)). In other words, for a finite number N of degrading subunits (11.ij), the pins are in the form of stepped pyramids (see FIGS. 4(b)-4(e)). The area (Aij) of a given degrading subunit (11.ij) determines the next degrading subunit (11.i(j+1)) of smaller dimension than the given degrading subunit (11.ij). The area of the stair tread (or flange) formed by a given enclosing degrading subunit (11.ij).

図5(f)~図5(j)、図7(e)及び図7(g)に示す代替的な実施形態では、ディグレーディングサブユニットは、並列構造で配置され得る。この実施形態では、ディグレーディングサブユニットは、図7(e)及び図7(g)に示すような2つのディグレーディングサブユニット間に空間なしの状態又は隣接する図5(f)及び図5(g)に示すような2つのディグレーディングサブユニット間に空間がある状態の何れかで底面面積(Abi)内に並べて配置される。例えば、図7(e)及び図7(g)に示す実施形態では、ディグレーディングサブユニットは並べて配置され、最長のディグレーディングサブユニットが、対応するビーム軸(Xi)に対してオフセットされることが好ましい。このようにして、最長のディグレーディングユニットは、重みの小さいビーム(100.i)の一部分に面し、したがって、断面領域(Aij)を大きくすることができ、これによりエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の製造が容易になる。同じ構成は、上で論じたオリフィスの形態におけるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)にも適用することができる。 In alternative embodiments shown in FIGS. 5(f)-5(j), 7(e) and 7(g), the degrading subunits may be arranged in a side-by-side configuration. In this embodiment, the degrading subunits are shown in FIGS. 7(e) and 7(g) with no space between the two degrading subunits or adjacent FIGS. 5(f) and 5(g). Arranged side by side within the base area (Abi) either with a space between the two degrading subunits as shown in g). For example, in the embodiments shown in FIGS. 7(e) and 7(g), the degrading subunits are arranged side by side, with the longest degrading subunits offset with respect to the corresponding beam axis (Xi). is preferred. In this way, the longest degrading unit faces a portion of the beam (100.i) with less weight, thus allowing the cross-sectional area (Aij) to be increased, thereby increasing the energy degrading unit (11.i). The production of i) is facilitated. The same configuration can be applied to the energy degrading units (11.i) in the form of orifices discussed above.

更なる代替的な実施形態では、3つ以上のディグレーディングサブユニットが、直列構造及び並列構造の両方の混在構造で配置され得る。図7(h)及び図7(i)に示すこの構成では、3つ以上のディグレーディングサブユニット(11.ij)が直列及び並列の両方で配置され、1つ又は複数の構造が、対応するビーム軸(Xi)に沿って直列に整列された2つ以上のディグレーディングサブユニットによって形成され、任意選択で、1つ又は複数の個々のディグレーディングサブユニットが底面面積(Abi)内に並べて配置される。 In further alternative embodiments, three or more degrading subunits may be arranged in a mixture of both serial and parallel configurations. In this configuration, shown in FIGS. 7(h) and 7(i), three or more degrading subunits (11.ij) are arranged both in series and in parallel, one or more structures corresponding formed by two or more degrading subunits aligned in series along the beam axis (Xi), optionally with one or more individual degrading subunits arranged side by side within a base area (Abi) be done.

分かりやすくするために、図5(a)~図5(e)及び図7(f)は、3つのディグレーディングサブユニット(11.ij)で形成されるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を示し、図7(a)及び図7(e)は、2つのディグレーディングサブユニット(11.ij)のみで形成されるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を示す。より滑らかなSOBPプラトーを得るために、ディグレーディングサブユニットの数(N)は、実際には、より多くなり得ることは明らかである。図5(b)、図6(d)及び図6(e)に示すように、ピンの形態のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、3個、6個及び「無限数」のディグレーディングサブユニット(11.ij)などの任意の数を備えることができ、無限数の場合には切頂円錐を形成する(図6(e)を参照されたい)。ディグレーディングサブユニット(11.ij)の数Nに関わらず、すべてのピンは、底面面積(Ai1)及び先端面積(Ai3)を有し、長さ(Lsi3)のピンである(記号の意味については、図5(a)~図5(e)を参照されたい)。 For clarity, FIGS. 5(a)-5(e) and 7(f) show an energy degrading unit (11.i) formed of three degrading subunits (11.ij) 7(a) and 7(e) show an energy degrading unit (11.i) formed of only two degrading subunits (11.ij). It is clear that the number of degrading subunits (N) can actually be higher in order to obtain a smoother SOBP plateau. Energy degrading units (11.i) in the form of pins, as shown in FIGS. It can comprise any number of subunits (11.ij), etc., forming a truncated cone in the case of an infinite number (see FIG. 6(e)). Regardless of the number N of degrading subunits (11.ij), all pins are pins of length (Lsi3) with base area (Ai1) and tip area (Ai3) (for the meaning of the symbols 5(a) to 5(e)).

図5(c)~図5(e)では、各ディグレーディングサブユニットが別々に示されており、その全体が、それらが互いに嵌め合わされて図5(b)のディグレーディングサブユニットを形成する。実際には、図5(b)のディグレーディングサブユニット(11.ij)は、好ましくは支持ベース(11b)を備えたモノリシックエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を機械加工、エッチング若しくは三次元プリンティングするか、又は各ディグレーディングサブユニット(11.ij)を個別に機械加工、エッチング若しくは三次元プリンティングし、それらを組み付けてエネルギーディグレーディングユニット(及び支持ベース(11b))を形成することにより製造され得る。最も好ましくは、リッジフィルタ全体がモノリシックに生産される(すなわち組み立て工程を必要としない)。 In FIGS. 5(c)-5(e) each degrading sub-unit is shown separately and in its entirety when they are fitted together to form the degrading sub-unit of FIG. 5(b). In practice, the degrading subunit (11.ij) of FIG. 5(b) is preferably produced by machining, etching or three-dimensional printing a monolithic energy degrading unit (11.i) with a support base (11b). or by machining, etching or three-dimensional printing each degrading subunit (11.ij) individually and assembling them to form the energy degrading unit (and support base (11b)). obtain. Most preferably, the entire ridge filter is produced monolithically (ie, no assembly steps are required).

異なる材料で作られたディグレーディングユニット(11.i)
図7(c)及び図7(d)に示す第3の実施形態では、上で論じた空洞又はピンの形態のエネルギーディグレーディングユニットの上記の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせることができ、第1のエネルギーディグレーディングユニット(11.1)の少なくとも第1のディグレーディングサブユニット(11.11)が、第1のエネルギーディグレーディングユニット(11.1)又は第2のディグレーディングユニット(11.2)の第2のディグレーディングサブユニット(11.ij)の第2の材料と異なる第1の材料で作られる。第1の材料は、第2の材料から作られる対応する第1のエネルギーサブユニット(11.11)の長さと比べて、第1のディグレーディングサブユニット(11.11)の長さ(L11=W11/Wu)の値を変化させる、好ましくは減少させるために、第2の材料と異なる、単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)の値を有する。
Degrading units (11.i) made of different materials
In a third embodiment shown in FIGS. 7(c) and 7(d), it is possible to combine the above embodiments of the energy degrading unit in the form of cavities or pins discussed above with the third embodiment. at least the first degrading subunit (11.11) of the first energy degrading unit (11.1) may be the first energy degrading unit (11.1) or the second degrading unit ( 11.2) made of a first material different from the second material of the second degrading subunit (11.ij). The first material has a length of the first degrading subunit (11.11) (L11= W11/Wu) has a different value of water equivalent thickness (Wu) of the subunits per unit length than the second material in order to change, preferably decrease, the value of W11/Wu).

図7(c)は、同心円状に配置された第1のディグレーディングサブユニット(11.i1)及び第2のディグレーディングサブユニット(11.i2)を備える一実施形態を示す。第2のディグレーディングサブユニット(11.i2)は環状の第1のディグレーディングサブユニット(11.i1)内に囲まれる。第1のディグレーディングサブユニット(11.i1)は、第2のディグレーディングサブユニット(11.i2)を形成する材料よりも高い単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)を有する第1の材料で作られる。このことから、ビーム軸(Xi)に沿って測定される長さ(Li1=Li2)が同じである場合、第1のディグレーディングサブユニット(11.i1)はビームからより多くのエネルギーを吸収し、第2のディグレーディングサブユニット(11.i2)を横切るセルの水等価厚(di2)より低い、より小さいセルの水等価厚(di1<di2)のセルへブラッグピークをシフトさせる。 FIG. 7(c) shows an embodiment comprising a first degrading subunit (11.i1) and a second degrading subunit (11.i2) arranged concentrically. The second degrading subunit (11.i2) is enclosed within the annular first degrading subunit (11.i1). The first degrading subunit (11.i1) has a higher subunit water equivalent thickness (Wu) per unit length than the material forming the second degrading subunit (11.i2). Made from 1 material. It follows from this that for the same length (Li1=Li2) measured along the beam axis (Xi), the first degrading subunit (11.i1) absorbs more energy from the beam. , shifts the Bragg peak to cells of smaller cell water equivalent thickness (di1<di2) lower than the water equivalent thickness (di2) of the cell across the second degrading subunit (11.i2).

図7(d)も同様の構成を示すが、第1のディグレーディングサブユニット(11.i1)が、第2のディグレーディングサブユニット(11.i2)が作られる第2の材料よりも単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)の値が高い第1の材料で作られ、第2のディグレーディングサブユニット(11.i2)に囲まれて中央に位置する。その結果、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)の中心に位置する第1のディグレーディングサブユニット(11.i1)を横切る一部のビームのブラッグピークが生じる深さ(di1<di2)は、ビーム軸(Xi)に沿って測定される長さ(Li1=Li2)と同じである第2のディグレーディングサブユニット(11.i2)を横切る割合より低くなる。図7(c)及び図7(d)のディグレーディングサブユニット(11.i1、11.i2)は、同心円状に配置される。例えば並べて配置するなど、他の構成も可能であることは明らかである。同じ長さLi1=Li2を有することも最適化された状況である。単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)の値の全範囲にわたって連続的に材料を選択することはできないため、必要なセルの水等価厚(dij)が得られると同時に同じ長さ(Lij)を有する材料を選択することは困難である。しかしながら、材料を変えることにより、ディグレーディングサブユニット間の高さの差を減らし、よりコンパクトで堅牢なエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を実現できる。 Figure 7(d) shows a similar configuration, but the first degrading subunit (11.i1) is a unit longer than the second material from which the second degrading subunit (11.i2) is made. It is made of a first material with a high water equivalent thickness (Wu) value of the perimeter subunit and is centrally located surrounded by a second degrading subunit (11.i2). As a result, the depth (di1<di2) at which the Bragg peak of some beams occurs across the first degrading subunit (11.i1) located in the center of the energy degrading unit (11.i) is the beam Less than the rate across the second degrading subunit (11.i2) is the same as the length (Li1=Li2) measured along the axis (Xi). The degrading subunits (11.i1, 11.i2) in FIGS. 7(c) and 7(d) are arranged concentrically. It is clear that other configurations are possible, for example a side-by-side arrangement. Having the same length Li1=Li2 is also an optimized situation. Since it is not possible to continuously select materials over the entire range of subunit water equivalent thickness (Wu) values per unit length, the required cell water equivalent thickness (dij) can be obtained while maintaining the same length It is difficult to choose materials with (Lij). However, by changing the materials, the height difference between the degrading subunits can be reduced, resulting in a more compact and robust energy degrading unit (11.i).

異なる単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)を有する異なる材料を組み合わせるこの実施形態は、最長のディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)を短くし、最短のディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さを長くするように、空洞状及びピン状の両方のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)に適用されて、より短いリッジフィルタ(11)を得ることができ、且つ公差観点において生産を容易にするが、生産に最も適した寸法を選択することができる。 This embodiment of combining different materials with different subunit water equivalent thicknesses (Wu) per unit length shortens the length (Lij) of the longest degrading subunit (11.ij) and shortens the length (Lij) of the shortest digrading subunit (11.ij). It can be applied to both cavity-like and pin-like energy degrading units (11.i) so as to lengthen the length of the grading subunits (11.ij) to obtain shorter ridge filters (11). , and eases production in terms of tolerances, but the most suitable dimensions for production can be chosen.

例えば、各ディグレーディングサブユニットの材料の選択は、第1のディグレーディングサブユニットの長さ(L11)を第2のディグレーディングサブユニットの長さ(Lij)の±20%以内に収めることなどを目的とし得る。好ましくは、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)のすべてのディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)は、平均長さ(Lm,ij)の±20%のばらつき以内で同じ長さ(Lij)を有する(すなわちLij=Lm,ij±20%∀j)。このようにして、コンパクトなリッジフィルタを得ることができる。 For example, the selection of materials for each degrading subunit includes keeping the length of the first degrading subunit (L11) within ±20% of the length of the second degrading subunit (Lij). can be the purpose. Preferably, the lengths (Lij) of all degrading subunits (11.ij) of the energy degrading unit (11.i) are the same within ±20% variation of the average length (Lm,ij) (ie, Lij=Lm, ij±20%∀j). In this way a compact ridge filter can be obtained.

リッジフィルタ(11)及びリッジフィルタ(11)を備える粒子加速器
図3(c)に示すように、リッジフィルタ(11)が、支持ベース(11b)上に並べて配置された複数のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)によって形成される。個々のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の位置は、対応するスポット(Si)の位置に対応し、その向きは対応するビーム軸(Xi)に平行である。
Ridge Filter (11) and Particle Accelerator with Ridge Filter (11) As shown in Figure 3(c), the ridge filter (11) comprises a plurality of energy degrading units ( 11. i). The position of the individual energy degrading units (11.i) corresponds to the position of the corresponding spot (Si) and its orientation is parallel to the corresponding beam axis (Xi).

図1(a)、図1(b)、図3(a)及び図3(e)では、すべてのビーム軸(Xi)が互いに平行に表されている。これは、すべてのビーム軸(Xi)はノズルにおけるスキャニング電磁石の中心の同じ点から出発し、治療体積(V)を特徴付けるすべてのスポット(Si)をスキャンするように逸れるため、正確には正しくない。このことは図3(b)、図3(d)及び図3(f)に表されており、分かりやすくするために偏角は誇張されている。すべてのビーム軸(Xi)を囲む円錐の開口部角度は、スキャニング磁石と治療体積(V)との間の距離及び治療体積(V)のサイズに依存する。図3(b)は、図3(a)の図に対応する照射システムの図を、ビームのスキャニング効果を考慮してビーム軸が平行からずれている状態で示す。図3(b)では、開口部角度が誇張されている。図3(c)は、支持ベース(11b)からピンが突出し、互いに平行からずれている対応するリッジフィルタ(11)を示す。図3(d)は、支持ベース(11b)における対応する2つのオリフィスによって形成された2つのエネルギーディグレーディングユニットを示す。ここでも、分かりやすくするために、開口部の角度を誇張してある。 In FIGS. 1(a), 1(b), 3(a) and 3(e) all beam axes (Xi) are shown parallel to each other. This is not exactly correct because all beam axes (Xi) start from the same point in the center of the scanning electromagnet at the nozzle and are diverted to scan all the spots (Si) that characterize the treatment volume (V). . This is illustrated in FIGS. 3(b), 3(d) and 3(f), where the deflection angles are exaggerated for clarity. The aperture angles of the cones enclosing all beam axes (Xi) depend on the distance between the scanning magnet and the treatment volume (V) and the size of the treatment volume (V). FIG. 3(b) shows a view of the illumination system corresponding to the view of FIG. 3(a), with the beam axis deviated from parallel to account for beam scanning effects. In FIG. 3(b), the opening angle is exaggerated. Figure 3(c) shows the corresponding ridge filter (11) with pins protruding from the support base (11b) and out of parallel with each other. Figure 3(d) shows two energy degrading units formed by two corresponding orifices in the support base (11b). Again, the angles of the openings are exaggerated for clarity.

実際には、開口部角度は照射軸(X)から概ね±5°以内、好ましくは±3°以内、より好ましくは±1°以内にある。この理由のため、厳密には正しくないが、図面の中でビーム軸(Xi)を互いに平行に表現することは、許容可能な現実を単純化したものである。 In practice, the aperture angle is generally within ±5°, preferably within ±3°, more preferably within ±1° from the illumination axis (X). For this reason, although not strictly correct, representing the beam axes (Xi) parallel to each other in the drawings is a simplification of an acceptable reality.

図3(e)及び図3(f)は、いくつかの部分体積(Vi)を含む治療体積(V)の同様の立方体要素を示す。部分体積(V1、V4及びV5)は、対応するセル(Cij、i=1、4及び5、j=1~4)の位置を示す切断側面図において示されている。図3(e)では、部分体積(Vi)は、互いに(略)平行に、且つ照射軸(X)に(略)平行に延び、図3(f)では、部分体積は、発散するビーム軸(Xi)に沿って延びる(ここでも、開口部角度は分かりやすくするために誇張してある)。 Figures 3(e) and 3(f) show similar cubic elements of a treatment volume (V) containing several sub-volumes (Vi). The sub-volumes (V1, V4 and V5) are shown in cutaway side view showing the positions of the corresponding cells (Cij, i=1, 4 and 5, j=1-4). In FIG. 3(e) the sub-volumes (Vi) extend (substantially) parallel to each other and (substantially) parallel to the irradiation axis (X), and in FIG. (Xi) (again, the opening angle is exaggerated for clarity).

対応するビーム軸(Xi)に沿って測定される最長の長さ(Li1)のディグレーディングサブユニット(11.i1)は、より短いディグレーディングサブユニットよりもビーム(100.i)のエネルギーを多く吸収する。したがって、最長のディグレーディングサブユニット(11.i1)により、患者の皮膚(3s)の最も近くのブラッグピークの位置を規定する最短のセルの水等価厚(di1)が決定される。ディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)が短くなるにつれて、患者の皮膚(3s)から最も離れたブラッグピークのセルの水等価厚(diN)を決定する最短の長さ(LiN)の最短のディグレーディングサブユニット(11.iN)まで、対応するセルの水等価厚(dij)は増加する。すべてのブラッグピークの重ね合わせが、治療計画に従わなければならないSOBPを形成する(図4(a)~図4(e)及び図5(a)~図5(e)を参照されたい)。各ディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)は、上で論じたように、Lij=Wij/Wu=(W0-dij)/Wuとして容易に決定することができる(図2(b)を参照されたい)。 Degrading subunits (11.i1) with the longest length (Li1) measured along the corresponding beam axis (Xi) add more energy to the beam (100.i) than shorter degrading subunits. Absorb. Thus, the longest degrading subunit (11.i1) determines the water-equivalent thickness (di1) of the shortest cell that defines the position of the nearest Bragg peak of the patient's skin (3s). As the length (Lij) of the degrading subunit (11.ij) decreases, the shortest length (LiN ), the water equivalent thickness (dij) of the corresponding cell increases. The superposition of all Bragg peaks forms the SOBP that must follow the treatment regimen (see FIGS. 4(a)-4(e) and 5(a)-5(e)). The length (Lij) of each degrading subunit (11.ij) can be readily determined as Lij = Wij/Wu = (W0-dij)/Wu as discussed above (Fig. 2( b)).

各ディグレーディングサブユニット(11.ij)の面積(Aij)は、それぞれのセルの水等価厚(dij)における対応するセルに所定の線量(Dij)を付与するために必要な数の荷電粒子をもたらすように寸法を定められなければならない。ディグレーディングサブユニット(11.ij)の面積(Aij)の値を決定するために式(1)が用いられる。

Figure 2023074477000010
The area (Aij) of each degrading subunit (11.ij) is the number of charged particles required to impart a given dose (Dij) to the corresponding cell at the water equivalent thickness (dij) of the respective cell. must be dimensioned to provide Equation (1) is used to determine the value of the area (Aij) of the degrading subunit (11.ij).
Figure 2023074477000010

式(1)では、正規化されたビーム重み(ωij)は、寸法を定められる面積(Aij)でビームフルエンス(F(y,z))の積分したものの正規化された値に等しい。面積(Aij)は境界を規定し、境界に沿って、式(1)の分子の積分が計算されるため、各ディグレーディングサブユニット(11.ij)について面積(Aij)を決定することができる。上で論じたように、個々のディグレーディングサブユニット(11.ij)の好ましい配置は、対応するエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を形成するように個々のディグレーディングサブユニット(11.ij)を同軸に組み付けることである(図4(a)~図4(e)及び図5(a)~図5(e)を参照されたい)。この直列での配置では、第1のディグレーディングサブユニット(11.ij)の面積(Aij)は、第1のディグレーディングサブユニット内に同軸に内接するディグレーディングサブユニット(11.i(j+1))の周囲に環状の段差を形成する環状の幾何学的形状を有する。図4(f)~図4(j)、図5(h)~図5(j))並びに図7(e)及び図7(g)に示すような並列での配置では、ディグレーディングサブユニット(11.ij)の面積(Aij)は各ディグレーディングサブユニットの底面における面積である。 In equation (1), the normalized beam weight (ωij) is equal to the normalized value of the integral of the beam fluence (F(y,z)) over the dimensioned area (Aij). The area (Aij) defines a boundary along which the integral of the numerator of equation (1) is computed so that the area (Aij) can be determined for each degrading subunit (11.ij) . As discussed above, a preferred arrangement of the individual degrading subunits (11.ij) is to form the corresponding energy degrading units (11.i). (see FIGS. 4(a)-4(e) and 5(a)-5(e)). In this tandem arrangement, the area (Aij) of the first degrading subunit (11.ij) is the coaxially inscribed degrading subunit (11.i(j+1) ) has an annular geometry forming an annular step around the perimeter. 4(f)-4(j), 5(h)-5(j)), and 7(e) and 7(g), the degrading subunit The area (Aij) in (11.ij) is the area at the base of each degrading subunit.

スポット(Si)の密な配列の場合、スポット(Si)はビーム(100.i)のフルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.8倍以下、好ましくは1.5倍以下の距離(ds)だけ互いに隔てられ、底面面積(Abi)を通過するビームのフルエンスが、体積(V)に内接する境界を規定する平面(Y,Z)jのすべての値にわたって一定であるように近似される。この構成により、式(1)の分子における積分を解くことが大幅に簡単になる。 In the case of a dense array of spots (Si), the spots (Si) are not more than 1.8 times the standard deviation (σ) of the fluence (Fi (y, z)) of the beam (100.i), preferably 1.5 The fluence of beams separated from each other by a distance (ds) less than or equal to double and passing through the base area (Abi) is constant over all values of the plane (Y, Z) j defining the inscribed boundary of the volume (V) is approximated as This configuration greatly simplifies solving the integral in the numerator of equation (1).

スポット(Si)の配列が比較的疎である場合、スポットは、ビーム(100.i)のフルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.2倍超(すなわちds>1.2σ)、好ましくは1.5倍超の距離(ds)だけ互いに隔てられ、底面面積(Abi)を通過するビーム(100.i)のフルエンス(Fi(y,z))が、ガウス分布

Figure 2023074477000011
であるように近似され、ここで、(yi,zi)は、(Y,Z)平面におけるスポット(Si)のフルエンスの最大値(Ai)の位置の座標であり、円形スポットの場合、σ=σ=σである。式(1)の分子における積分を解くことは、スポット(Si)の配列が密である場合(すなわちds<1.8σ又は<1.5σ)ほど簡単ではないが、少なくとも数値的に解くことができる。スポットが円形であり、σ=σ=σである場合、式(1)を解くことは簡単になる。 If the array of spots (Si) is relatively sparse, the spots should be more than 1.2 times the standard deviation (σ) of the fluence (Fi(y,z)) of the beam (100.i) (i.e. ds>1 .2σ), preferably more than 1.5 times the distance (ds) from each other, and the fluence (Fi(y,z)) of the beams (100.i) passing through the base area (Abi) has a Gaussian distribution
Figure 2023074477000011
where (yi,zi) are the coordinates of the location of the maximum fluence (Ai) of the spot (Si) in the (Y,Z) plane, and for a circular spot, σ y = σ z = σ. Solving the integral in the numerator of Eq. (1) is not as straightforward as when the array of spots (Si) is dense (i.e. ds < 1.8σ or <1.5σ), but at least it can be solved numerically can. If the spot is circular and σ yz =σ then solving equation (1) becomes straightforward.

結語
本明細書で提案された、治療体積(V)の単一層PBSペインティングのためのリッジフィルタ(11)を設計し、寸法を定める方法は、簡単で信頼性が高く、且つ再現性がある。空洞の形態のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の設計は、同心円状のディグレーディングサブユニット(11.ij)によって形成されたピンよりも製造公差に対してロバストであり、これは、ピンの場合、中心のディグレーディングサブユニット(11.i1)が、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)全体の中で最も長いと同時に薄く、ピンの正確な製造がより複雑であるためである。積み重ねることなど、同心円状以外の構成も可能であり、この問題を軽減できる。最長の長さ(Lij)のディグレーディングサブユニット(11.ij)に対して単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)が高い材料を使用することも、細長いピンを正確に製造するという課題を軽減するための解決策である。
Conclusion The method proposed here to design and dimension a ridge filter (11) for single-layer PBS painting of treatment volume (V) is simple, reliable and reproducible. . The design of energy degrading units (11.i) in the form of cavities is more robust to manufacturing tolerances than pins formed by concentric degrading subunits (11.ij), which allows for This is because the central degrading subunit (11.i1) is the longest and thinnest of all the energy degrading units (11.i) at the same time, making the precise manufacture of the pins more complex. Configurations other than concentric are also possible, such as stacking, to alleviate this problem. Using a material with a high subunit water equivalent thickness (Wu) per unit length for the longest length (Lij) degrading subunit (11.ij) also accurately fabricates elongated pins. This is a solution for reducing the problem of

ある治療計画を起点として、スポット(Si)の配列は、上述のように規定され、治療体積(V)が(スポットあたり1つの)部分体積(Vi)に分割され、部分体積(Vi)が適宜N個のセル(Cij)に分割され得る。セル(Cij)に付与されるべき線量(Dij)は、治療計画に基づいて決定される。 Starting from a treatment plan, an array of spots (Si) is defined as above, the treatment volume (V) is divided into sub-volumes (Vi) (one per spot), and sub-volumes (Vi) are It can be divided into N cells (Cij). The dose (Dij) to be delivered to the cell (Cij) is determined based on the treatment plan.

リッジフィルタは、スポット(Si)が存在する数と同じ数のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を備えて設計される。各エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、長さ(Lij)及び面積(Aij)を有するN個のディグレーディングサブユニット(11.ij)によって形成される。 The ridge filter is designed with as many energy degrading units (11.i) as there are spots (Si). Each energy degrading unit (11.i) is formed by N degrading subunits (11.ij) with length (Lij) and area (Aij).

各ディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ(Lij)は、単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)に対する所望のサブユニットの水等価厚(Wij)の比として計算される(すなわちLij=Wij/Wu)。サブユニットの水等価厚は、Wij=W0-dijとして規定され、W0は、最大ビーム飛程であり、dijは、対応するセル(Cij)の中心におけるブラッグピークの所望の位置である。長さ(Lij)は、すべてのエネルギーディグレーディングユニット(11.i)を支持する支持ブロック(11b)の厚さ(Bi)を考慮しなければならない。 The length (Lij) of each degrading subunit (11.ij) is calculated as the ratio of the water equivalent thickness (Wij) of the desired subunit to the water equivalent thickness (Wu) of the subunit per unit length. (ie Lij=Wij/Wu). The subunit water equivalent thickness is defined as Wij=W0-dij, where W0 is the maximum beam range and dij is the desired position of the Bragg peak at the center of the corresponding cell (Cij). The length (Lij) must take into account the thickness (Bi) of the supporting blocks (11b) supporting all the energy degrading units (11.i).

各ディグレーディングサブユニット(11.ij)の面積(Aij)は、式(1)の分子にある積分が計算される面積(Aij)を求めることによって得られる。この演算は数値的に実行され得る。 The area (Aij) of each degrading subunit (11.ij) is obtained by finding the area (Aij) over which the integral in the numerator of equation (1) is computed. This operation can be performed numerically.

個々のエネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、それぞれのビーム軸(Xi)に沿って同軸に延びるように支持ブロック(11b)上に配置される。リッジフィルタは、ブロックの機械加工、支持ブロック(11b)への個々のピンの取り付け、三次元プリンティング技法などによって製造され得る。このようにして製造されたリッジフィルタ(11)は、荷電粒子の加速器の出口と治療体積(V)との間に、各部分体積(Vi)が対応するビーム軸(Xi)と同軸となるように設置され得る。単一層PBSペインティングによる照射を開始できる。 The individual energy degrading units (11.i) are arranged on support blocks (11b) so as to extend coaxially along their respective beam axes (Xi). Ridge filters may be manufactured by machining blocks, attaching individual pins to support blocks (11b), three-dimensional printing techniques, and the like. The ridge filter (11) thus manufactured is placed between the exit of the charged particle accelerator and the treatment volume (V) such that each sub-volume (Vi) is coaxial with the corresponding beam axis (Xi). can be placed in Irradiation can begin with a single layer PBS painting.

本発明の方法によって設計されたリッジフィルタ(11)は、治療体積全体を単一ペインティング層でカバーすることができ、これにより各スライス(Tj)への線量(Dij)の付与に要するスキャニング時間が大幅に短縮されるため、PBSによって超高線量付与率(HDR)でセル(Cij)に線量(Dij)を付与させる必要がある治療体積(V)の少なくとも一部のFLASH照射を含む治療計画に特に適する。 A ridge filter (11) designed by the method of the present invention can cover the entire treatment volume with a single painting layer, thereby increasing the scanning time required to deliver the dose (Dij) to each slice (Tj) A treatment plan that includes FLASH irradiation of at least a portion of the treatment volume (V) that needs to be dosed (Dij) to the cell (Cij) at a very high dose delivery rate (HDR) by PBS, since the is significantly shortened particularly suitable for

3s 皮膚
11 リッジフィルタ
11.i エネルギーディグレーディングユニット
11.ij ディグレーディングサブユニット
100.i ビーム
Abi ディグレーディングユニット(11.i)の底面面積(Abi)
Aij ディグレーディングサブユニット11.ijの底面面積
Axij ディグレーディングサブユニット(11.ij)の深さにおけるエネルギーディグレーディングユニット(11.i)の断面面積
Bi 照射軸(X)に沿った支持ブロックの厚さ
Cij セル
d0 最短水等価厚
d1 最遠水等価厚
dij セルの水等価厚
Dij 線量
F(y,z) ビームのフルエンス
Lij ビーム軸(Xi)に沿ったディグレーディングサブユニット(11.ij)の長さ
Lsij =Bi-Lij。空洞の形態のエネルギーディグレーディングユニット
Si スポット
Tj スライス
V 治療体積
Vi 部分体積
W0 最大ビーム飛程
Wu 単位長さあたりのサブユニットの水等価厚
X 照射軸
Xi ビーム軸
X、Y、Z 座標系
(Y,Z) 照射軸(X)に垂直な平面
(Y,Z)j スライスTjの上流にある平面
ωij スライスTjにおけるビーム100.iの重み

3s skin 11 ridge filter 11 . i energy degrading unit 11 . ij degrading subunit 100 . i beam Abi base area (Abi) of degrading unit (11.i)
Aij degrading subunit 11 . ij base area Axij cross-sectional area of the energy degrading unit (11.i) at the depth of the degrading subunit (11.ij) Bi thickness of the support block along the irradiation axis (X) Cij cell d0 shortest water equivalent Thickness d1 farthest water equivalent thickness dij water equivalent thickness of the cell Dij dose F(y,z) beam fluence Lij length of degrading subunit (11.ij) along beam axis (Xi) Lsij = Bi−Lij . energy degrading unit in the form of a cavity Si spot Tj slice V treatment volume Vi partial volume W0 maximum beam range Wu water equivalent thickness of subunit per unit length X irradiation axis Xi beam axis X,Y,Z coordinate system (Y , Z) beam 100 . weight of i

Claims (10)

加速された粒子のビーム(100.i)を用いて、腫瘍細胞(3t)を含む組織の治療体積(V)内の特定の場所に、前記治療体積(V)全体を規定する単一ペインティング層における所定の治療計画(TP)に従ったスポット(Si)ごとのペンシルビームスキャン(PBS)により、特定の線量(Dij)を付与するための、荷電粒子加速器、好ましくは陽子加速器のリッジフィルタを設計する方法において、前記ビーム(100.i)は、照射軸(X)に略平行であり、±5°以内、好ましくは±3°以内に含まれる角度だけ前記照射軸(X)との平行から逸れる対応するビーム軸(Xi)に沿って延び、前記組織は、前記ビームが前記組織を通して伝播しなくなる水等価距離として定義される最大ビーム飛程(W0)によって特徴付けられ、前記方法は、
・厚さ(dxj)のN枚のスライス(Tj=T1~TN)の上流の平面(Y,Z)jにわたる面積(Aj)を規定することにより、前記治療体積(V)に内接する境界を規定するステップであって、前記平面(Y,Z)jは、前記照射軸(X)に垂直であり、患者の皮膚に対する最短水等価厚(d0)及び最長水等価厚(d1)は、前記照射軸(X)に沿って測定される、前記皮膚に最も近い前記境界の点及び前記皮膚から最も遠い前記境界の点としてそれぞれ定義される、ステップ、
・部分体積(Vi)の配列を規定するステップであって、各部分体積は、前記対応するビーム軸(Xi)に平行に前記患者の前記皮膚から前記対応する最遠水等価厚(d1)まで延び、前記照射軸(X)に垂直な平面(Y,Z)上への前記部分体積(Vi)の配列の投影は、前記平面(Y,Z)上への前記体積(V)の投影の面積全体をカバーするスポット(Si)の配列を規定する、ステップ、
・部分体積(Vi)内に含まれる前記N枚のスライス(T1~TN)の各スライス(Tj)について、前記対応するスライス(Tj)内に含まれる前記部分体積(Vi)の一部分として規定されるセル(Cij)を規定するステップ、
・前記所与の部分体積(Vi)の各セル(Cij)について、前記皮膚(3s)から前記セル(Cij)の幾何学的中心までのセルの水等価厚(dij)を決定し、且つ前記TPに従って前記セル(Cij)に前記特定の線量(Dij)を付与するために必要なビーム重み(ωij)を定めるステップであって、前記ビーム重み(ωij)は、前記セルの水等価厚(dij)における荷電粒子の数に比例する、ステップ、
・エネルギーディグレーディングユニット(11.i)の組を備えた前記リッジフィルタ(11)を設計するステップであって、各エネルギーディグレーディングユニット(11.ij)は、前記特定の線量(Dij)が、前記TPに従い、前記部分体積(Vi)内に含まれる前記対応するセル(Cij)に前記セルの水等価厚(dij)において付与されるように、前記対応するビーム軸(Xi)及び部分体積(Vi)と同軸である、ビーム直径(D100.i)の対応する荷電粒子のビーム(100.i)の初期エネルギー(E0)を、低減されたエネルギー(Eij)に低減するように構成され、所与の部分体積(Vi)の前記エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、以下:
○前記部分体積(Vi)の各セル(Cij)について、前記対応するビーム軸(Xi)に垂直な面積(Aij)の底面と、前記対応するビーム軸(Xi)に平行な長さ(Lij)の母線との一般化円筒ジオメトリを有するディグレーディングサブユニット(11.ij)の寸法を定め、前記ディグレーディングサブユニットは、前記対応するビーム軸(Xi)に沿って単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)を有する材料で作られ、前記長さ(Lij)は、前記ディグレーディングサブユニット(11.i)が、前記単位長さあたりのサブユニットの水等価厚(Wu)と前記長さ(Lij)との積に等しいサブユニットの水等価厚(Wij=Wu×Lij)を有するように決定され、前記サブユニットの水等価厚(Wij)と前記セルの水等価厚(dij)との和は、前記最大ビーム飛程(W0)に等しい(すなわちW0=Wij+dij)こと、及び
○ディグレーディングサブユニット(11.ij)の前記面積(Aij)は、正規化されたビーム重み(ωij/Σωij)を、前記サブユニットの底面面積(Aij)にわたるフルエンス(F(y,z))の積分の、前記ディグレーディングユニット(11.i)の底面面積(Abi)にわたる同じ積分に対する比に等しくすることによって決定され、
Figure 2023074477000012
ここで、前記フルエンスF(y,z)は、前記ビームの位置(y,z)における前記ビーム(100.i)の単位面積あたりの電荷の数であり、前記底面面積(Abi)は、前記サブユニットの面積(Aij)の和に等しい(すなわちAbi=ΣAij)こと
○前記部分体積(Vi)に前記必要な線量(Dij)を付与するように、前記ビーム(100.i)の前記エネルギーをディグレーディングさせるように設計された前記エネルギーディグレーディングユニット(11.i)を得るために、前記N個のディグレーディングサブユニット(11.ij)を組み合わせること
のように設計される、ステップ、
・すべての残りの部分体積(Vi)に対応する前記エネルギーディグレーディングユニット(11.i)を上記で定義されたように設計するステップ
を含み、「水等価厚」(=WET)という表現は、前記粒子ビームによって横断される1つ又は複数の材料の所与の厚さと同じ粒子ビームのエネルギーディグレデーションを引き起こす水の厚さとして定義されることを特徴とする方法。
A single painting defining the entire treatment volume (V) at a specific location within the treatment volume (V) of tissue containing tumor cells (3t) using a beam of accelerated particles (100.i). A ridge filter of a charged particle accelerator, preferably a proton accelerator, to deliver a specific dose (Dij) by pencil beam scanning (PBS) spot by spot (Si) according to a predetermined treatment plan (TP) in the layer. In the method of design, said beam (100.i) is substantially parallel to the axis of irradiation (X) and parallel to said axis of irradiation (X) by an angle comprised within ±5°, preferably within ±3°. extending along a corresponding beam axis (Xi) diverging from said tissue and characterized by a maximum beam range (W0) defined as the water equivalent distance at which said beam no longer propagates through said tissue, said method comprising:
Define an area (Aj) across the upstream plane (Y,Z)j of N slices (Tj=T1-TN) of thickness (dxj) to inscribe the treatment volume (V) defining, wherein said plane (Y,Z)j is perpendicular to said irradiation axis (X) and the shortest water equivalent thickness (d0) and the longest water equivalent thickness (d1) for the patient's skin are said defined respectively as the boundary point closest to the skin and the boundary point furthest from the skin, measured along the illumination axis (X);
- defining an array of sub-volumes (Vi), each sub-volume parallel to the corresponding beam axis (Xi) from the skin of the patient to the corresponding furthest water equivalent thickness (dl); Extending, the projection of the array of sub-volumes (Vi) onto a plane (Y,Z) perpendicular to the illumination axis (X) is the projection of the volume (V) onto the plane (Y,Z). defining an array of spots (Si) covering the whole area,
- for each slice (Tj) of said N slices (T1 to TN) contained within a partial volume (Vi), defined as a portion of said partial volume (Vi) contained within said corresponding slice (Tj) defining a cell (Cij) that
- for each cell (Cij) of said given partial volume (Vi), determine the water equivalent thickness (dij) of the cell from said skin (3s) to the geometric center of said cell (Cij); Determining the beam weights (ωij) required to impart said particular dose (Dij) to said cell (Cij) according to TP, said beam weights (ωij) being the water equivalent thickness of said cell (dij ), a step proportional to the number of charged particles in
- designing said ridge filter (11) comprising a set of energy degrading units (11.i), each energy degrading unit (11.ij) having said specific dose (Dij) of According to said TP, said corresponding beam axis (Xi) and partial volume ( Vi) is configured to reduce the initial energy (E0) of a beam (100.i) of corresponding charged particles of beam diameter (D100.i) to a reduced energy (Eij), Said energy degrading unit (11.i) of a given partial volume (Vi) is:
o For each cell (Cij) of said partial volume (Vi), the base of the area (Aij) perpendicular to said corresponding beam axis (Xi) and the length (Lij) parallel to said corresponding beam axis (Xi) dimensioning a degrading subunit (11.ij) having a generalized cylindrical geometry with the generatrix of , said degrading subunit along said corresponding beam axis (Xi) of subunits per unit length Made of a material having a water equivalent thickness (Wu), said length (Lij) is such that said degrading subunit (11.i) is equal to said water equivalent thickness (Wu) of said subunit per unit length and said is determined to have the water equivalent thickness of the subunit (Wij = Wu x Lij) equal to the product of the length (Lij) and the water equivalent thickness of the subunit (Wij) and the water equivalent thickness of the cell (dij) is equal to the maximum beam range (W0) (i.e., W0 = Wij + dij), and o the area (Aij) of the degrading subunit (11.ij) is the normalized beam weight (ωij /Σ j ω ij ) for the integral of the fluence (F(y,z)) over the base area (Aij) of said subunit over the same integral over the base area (Abi) of said degrading unit (11.i) determined by equating to the ratio,
Figure 2023074477000012
where the fluence F(y,z) is the number of charges per unit area of the beam (100.i) at the beam position (y,z), and the base area (Abi) is the equal to the sum of the areas (Aij) of the subunits (i.e. Abi = Σ j Aij); designed to combine said N degrading subunits (11.ij) to obtain said energy degrading unit (11.i) designed to degrade energy;
- designing said energy degrading units (11.i) corresponding to all remaining partial volumes (Vi) as defined above, wherein the expression "water equivalent thickness" (=WET) is defined as the thickness of water that causes the same energy degradation of the particle beam as a given thickness of one or more materials traversed by the particle beam.
請求項1に記載の方法において、前記特定の線量(Dij)は、前記組織の体積(V)内の少なくとも選択された前記特定の場所に超高線量付与率(HDR)で前記治療計画に従って付与され、HDRは、HDR≧1Gy/sの線量付与率として定義されることを特徴とする方法。 2. The method of claim 1, wherein the specific dose (Dij) is delivered according to the treatment plan at a very high dose delivery rate (HDR) to at least the selected specific location within the tissue volume (V). and HDR is defined as a dose delivery rate of HDR≧1 Gy/s. 請求項1又は2に記載の方法において、前記スポットの配列の前記スポット(Si)は、1つの単一のスポットにおける前記ビーム(100.i)の前記フルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.8倍以下(すなわちds≦1.8σ)、好ましくは1.5σ以下の距離(ds)だけ互いに隔てられ、前記底面面積(Abi)を通過する前記ビーム(100.i)の前記フルエンス(F(y,z))は、前記体積(V)に内接する前記境界を規定する前記平面(Y,Z)jのすべての値にわたって一定であるように近似されることを特徴とする方法。 3. A method according to claim 1 or 2, wherein the spots (Si) of the array of spots are a measure of the fluence (Fi(y,z)) of the beam (100.i) in one single spot. Said beams (100.i ) is approximated to be constant over all values of the plane (Y,Z) j defining the boundary inscribed in the volume (V). A method characterized. 請求項1又は2に記載の方法において、前記スポットの配列の前記スポット(Si)は、単一のスポットにおける前記ビーム(100.i)の前記フルエンス(Fi(y,z))の標準偏差(σ)の1.2倍超(すなわちds>1.2σ)、好ましくは1.5倍超の距離(ds)だけ互いに隔てられ、前記底面面積(Abi)を通過する前記ビーム(100.i)の前記フルエンス(Fi(y,z))は、ガウス分布
Figure 2023074477000013
であるように近似され、ここで、(yi,zi)は、前記(Y,Z)平面における、前記スポット(Si)の前記フルエンスの最大値(Ai)の位置の座標であり、円形スポットの場合、σ=σ=σであることを特徴とする方法。
3. A method according to claim 1 or 2, wherein the spots (Si) of the array of spots have a standard deviation of the fluence (Fi(y,z)) of the beam (100.i) in a single spot ( said beams (100.i) separated from each other by a distance (ds) greater than 1.2 times σ) (i.e. ds>1.2σ), preferably greater than 1.5 times and passing through said base area (Abi) The fluence (Fi(y,z)) of is Gaussian distributed
Figure 2023074477000013
where (yi,zi) are the coordinates of the position of the maximum fluence (Ai) of the spot (Si) in the (Y,Z) plane, and , then σ yz =σ.
請求項1乃至4の何れか1項に記載の方法において、
・前記エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、前記ビーム軸(Xi)に沿って測定される厚さ(Bi)の支持ベース(11b)において、前記スポット(Si)の配列に従って並べて配置されたオリフィスの形態であり、各オリフィスは、前記支持ベース(11b)の表面に開口している開口部から延び、且つ前記対応するビーム軸(Xi)に沿って測定される所与の深さまで貫通し、
・各エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、
○断面面積(Ai)の一般化円筒ジオメトリを有し、且つ前記対応するビーム軸(Xi)に沿って前記支持ブロック(11b)の前記開口部から、Lij=Bi-Lsijであるような長さ(Lsij)にわたって延びるオリフィスの形態の1つ又は複数のディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)によって形成され、
○前記ディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)は、前記底面面積(Abi)内に配置されることを特徴とする方法。
A method according to any one of claims 1 to 4,
- said energy degrading units (11.i) were arranged side by side according to the arrangement of said spots (Si) on a supporting base (11b) of thickness (Bi) measured along said beam axis (Xi) in the form of orifices, each extending from an opening opening into the surface of said support base (11b) and penetrating to a given depth measured along said corresponding beam axis (Xi); ,
each energy degrading unit (11.i):
o have a generalized cylindrical geometry of cross-sectional area (Ai) and from said opening of said support block (11b) along said corresponding beam axis (Xi) such that Lij=Bi-Lsij formed by one or more degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1) in the form of orifices extending across (Lsij);
o A method characterized in that said degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1) are located within said base area (Abi).
請求項5に記載の方法において、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、前記底面面積(Abi)内に以下の構成の1つで配置される少なくとも2つのサブユニット(11.ij)を含み、
・直列構造では、
○前記ディグレーディングサブユニットは、前記対応するビーム軸(Xi)に沿って、長さ(Lsij)が減少する順に、好ましくは同軸に、且つ最長の長さ(Lsi3)を有する前記オリフィスが中央位置に位置するように整列され、
○所与のディグレーディングサブユニット(11.ij)の前記サブユニットの底面面積(Aij)は、前記所与のディグレーディングユニット(11.ij)の断面面積(Axij)と、前記所与のディグレーディングユニット内に外接した前記ディグレーディングユニットの断面面積(Axi(j+1))との間の断面面積の差分(Axij-Axi(j+1))に等しく、
・並列構造では、前記ディグレーディングサブユニットは、2つのディグレーディングサブユニット間に空間なしの状態又は隣接する2つのディグレーディングサブユニット間に空間がある状態の何れかで前記底面面積(Abi)内に並べて配置され、
・並列及び直列の両方の混在構造では、3つ以上のディグレーディングサブユニット(11.ij)は、直列及び並列の両方で配置され、1つ又は複数の構造は、前記対応するビーム軸(Xi)に沿って直列に整列された2つ以上のディグレーディングサブユニットによって形成され、及び任意選択で、1つ又は複数の個々のディグレーディングサブユニットは、前記底面面積(Abi)内に並べて配置されることを特徴とする方法。
A method according to claim 5, wherein the energy degrading unit (11.i) comprises at least two subunits (11.ij) arranged within said base area (Abi) in one of the following configurations: ,
・In series structure,
o the degrading subunits are arranged along the corresponding beam axis (Xi) in order of decreasing length (Lsij), preferably coaxially, and centered with the orifice having the longest length (Lsi3); are aligned so that the
o The subunit base area (Aij) of a given degrading subunit (11.ij) is the sum of the cross-sectional area (Axij) of the given degrading unit (11.ij) and the given digrading unit (11.ij). equal to the difference in cross-sectional area (Axij−Axi(j+1)) between the cross-sectional area of said degrading unit circumscribed within the grading unit (Axi(j+1));
In a parallel structure, the degrading subunits are within the base area (Abi) either with no space between two degrading subunits or with space between two adjacent degrading subunits. are placed side by side in the
- in a mixed structure of both parallel and serial, three or more degrading subunits (11. ) and optionally one or more individual degrading subunits are arranged side by side within said base area (Abi) A method characterized by:
請求項1乃至4の何れか1項に記載の方法において、
・前記エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、前記スポット(Si)の配列に従って並べて配置され、且つ前記ビーム軸(Xi)に沿って測定される厚さ(Bi)の支持ベース(11b)上に支持されたピンの形態であり、各ピンは、前記対応するビーム軸(Xi)に沿って前記支持ベースから延び、
・各エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、
○断面面積(Aij)の一般化円筒ジオメトリを有し、且つ前記対応するビーム軸(Xi)に沿って前記支持ベースから、Lij=Bi-Lsijであるような長さ(Lsij)にわたって延びる1つ又は複数のディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)によって形成され、
○前記ディグレーディングサブユニット(11.ij、11.i3、11.i2、11.i1)は、前記底面面積(Abi)内に配置されることを特徴とする方法。
A method according to any one of claims 1 to 4,
- said energy degrading units (11.i) are arranged side by side according to said array of spots (Si) and on a supporting base (11b) of thickness (Bi) measured along said beam axis (Xi); each pin extending from said support base along said corresponding beam axis (Xi);
each energy degrading unit (11.i):
o one having a generalized cylindrical geometry of cross-sectional area (Aij) and extending from the support base along the corresponding beam axis (Xi) for a length (Lsij) such that Lij=Bi−Lsij or formed by multiple degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1),
o A method characterized in that said degrading subunits (11.ij, 11.i3, 11.i2, 11.i1) are located within said base area (Abi).
請求項7に記載の方法において、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)は、前記底面面積(Abi)内に以下の構成の1つで配置される少なくとも2つのサブユニット(11.ij)を含み、
・直列構造では、
○前記ディグレーディングサブユニットは、前記対応するビーム軸(Xi)に沿って、長さ(Lsij)が減少する順に、好ましくは同軸に、且つ最長の長さ(Lsi1)を有する前記ピンが中央位置に位置するように整列され、
○所与のディグレーディングサブユニット(11.ij)の前記サブユニットの底面面積(Aij)は、前記所与のディグレーディングユニット(11.ij)の断面面積(Axij)と、前記所与のディグレーディングユニット内に外接した前記ディグレーディングユニットの断面面積(Axi(j-1))との間の断面面積の差分(Axij-Axi(j-1))に等しく、
・並列及び直列の両方の混在構造では、3つ以上のディグレーディングサブユニット(11.ij)は、直列及び並列の両方で配置され、1つ又は複数の構造は、前記対応するビーム軸(Xi)に沿って直列に整列された2つ以上のディグレーディングサブユニットによって形成され、及び任意選択で、1つ又は複数の個々のディグレーディングサブユニットは、前記底面面積(Abi)内に並べて配置されることを特徴とする方法。
A method according to claim 7, wherein the energy degrading unit (11.i) comprises at least two subunits (11.ij) arranged within said base area (Abi) in one of the following configurations: ,
・In series structure,
o The degrading subunits are preferably coaxial, in order of decreasing length (Lsij), along the corresponding beam axis (Xi), and the pin having the longest length (Lsi1) is centrally positioned are aligned so that the
o The subunit base area (Aij) of a given degrading subunit (11.ij) is the sum of the cross-sectional area (Axij) of the given degrading unit (11.ij) and the given digrading unit (11.ij). is equal to the difference in cross-sectional area (Axij-Axi(j-1)) between the cross-sectional area (Axi(j-1)) of said degrading unit circumscribed within the grading unit;
- in a mixed structure of both parallel and serial, three or more degrading subunits (11. ) and optionally one or more individual degrading subunits are arranged side by side within said base area (Abi) A method characterized by:
請求項5乃至8の何れか1項に記載の方法において、第1のエネルギーディグレーディングユニット(11.1)の少なくとも第1のディグレーディングサブユニット(11.11)は、前記第1のエネルギーディグレーディングユニット(11.1)又は第2のエネルギーディグレーディングユニット(11.2)の第2のディグレーディングサブユニット(11.ij)の第2の材料と異なる第1の材料で作られ、前記第1の材料は、前記第2の材料から作られる対応する第1のエネルギーサブユニット(11.11)の長さと比べて、前記第1のディグレーディングサブユニット(11.11)の長さ(L11=W11/Wu)の値を変化させる、好ましくは減少させるように、前記第2の材料と異なる、単位長さあたりの前記サブユニットの水等価厚(Wu)の値を有することを特徴とする方法。 9. A method according to any one of claims 5 to 8, wherein at least a first degrading subunit (11.11) of a first energy degrading unit (11.1) comprises: made of a first material different from the second material of the second degrading subunit (11.ij) of the grading unit (11.1) or the second energy degrading unit (11.2), said first One material has a length (L11 =W11/Wu), which is different from that of the second material so as to change, preferably decrease, the value of the water equivalent thickness (Wu) of the subunit per unit length Method. 請求項9に記載の方法において、前記第1のディグレーディングサブユニット(11.11)の前記長さ(L11)は、前記第2のディグレーディングサブユニットの前記長さ(Lij)の±20%以内であり、及び好ましくは、エネルギーディグレーディングユニット(11.i)のすべての前記ディグレーディングサブユニット(11.ij)の前記長さ(Lij)は、平均長さ(Lm,ij)の±20%のばらつき以内で同じ長さ(Lij)を有する(すなわちLij=Lm,ij±20%∀j)ことを特徴とする方法。

A method according to claim 9, wherein said length (L11) of said first degrading subunit (11.11) is ±20% of said length (Lij) of said second degrading subunit. and preferably said length (Lij) of all said degrading subunits (11.ij) of an energy degrading unit (11.i) is ±20 of the average length (Lm,ij) A method characterized by having the same length (Lij) within % variation (ie, Lij=Lm, ij±20%∀j).

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